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有机化学实验的基本操作

发布时间:2016-10-23

 

  • 有机化学实验的基本操作

 

 

2.1 加热与冷却方法

2.1.1 加热方法

在实验过程中,为了提高反应速度,经常要对反应体系加热。另外,在分离、提纯化合物以及测定化合物的一些物理常数时,也常常需要加热。

实验室常用的热源有煤气灯、酒精灯、电炉、电热套等。必须注意,玻璃仪器一般不能用火焰直接加热。因为剧烈的温度变化和加热不均匀会造成玻璃仪器的损坏。同时,由于局部过热,还可能引起有机化合物的部分分解。为了避免直接加热可能带来的弊端,实验室中常常根据具体情况应用以下不同的间接加热方式。

(1)石棉网加热

把石棉网放在三脚架或铁圈上,用煤气灯或酒精灯在下面加热,石棉网上的烧瓶与石棉网之间应留有空隙,以避免由于局部过热引起化合物分解。加热低沸点化合物或减压蒸馏时不能用这种加热方式。

(2)水浴

当所加热的温度在80℃以下时,可选用水浴加热。将容器浸入装有水的水浴中(注意:勿将容器触及水浴底部),小心加热保持所需的温度。对于像乙醚等低沸点易燃溶剂,不能用明火加热,应用预先加热好的水浴加热。若需要加热到100℃时,可用沸水浴或水蒸气浴。

(3)油浴

在100℃~250℃之间加热可选择油浴,在油浴中放一支温度计,可以通过控制热源来控制油浴温度。用明火加热油浴应当十分谨慎,避免发生油浴燃烧事故。

油浴所能达到的最高温度取决于所用油的种类。液体石蜡可加热到220℃,温度过高不易分解但容易燃烧。固体石蜡也可以加热到220℃,由于它在室温时是固体,所以加热完毕后,应先取出浸在油浴中的容器。甘油和邻苯二甲酸二丁酯适用于加热到140℃~150℃,温度过高则容易分解。植物油如菜油、蓖麻油和花生油,可以加热到220℃,常在植物油中加入1%的对苯二酚等抗氧剂,以增加它们在受热时的稳定性。硅油和真空泵油在250℃以上仍较稳定,是理想的浴油,但价格较高。

(4)砂浴

加热温度在几百度以上要使用砂浴。将清洁而又干燥的细砂平铺在铁盘中,盛有液体的容器埋人砂中,在铁盘下方加热。由于砂子对热的传导能力较差,散热快,所以容器底部的砂子要薄一些,容器周围的砂层要厚一些。尽管如此,砂浴的温度仍不易控制,所以使用较少。

(5)空气浴

沸点在80℃以上的液体原则上均可采用空气浴加热。最简单的空气浴可用如下方法制作:取空的铁罐一只,罐口边缘剪光后,在罐的底层打数行小孔,另将圆形石棉片(直径略小于罐的直径)放入罐中,使其盖在小孔上,罐的周围用石棉布包裹。另取直径略大于罐口的石棉板一块(厚约 2~4mm),在其中挖一个洞 (洞的直径接近于蒸馏瓶或其他容器颈部的直径),然后对切为二,加热时用以盖住罐口。使用时将此空气浴放置在铁三角架上,用灯焰加热即可。注意蒸馏瓶或其他容器在罐中切勿触及瓶底,其正确位置如图2.1所示。

2.空气浴

6电热套

电热套是一种较好的热源,它是由玻璃纤维包裹着电热丝织成的碗状半圆形的加热器,有控温装置可调节温度。由于它不是明火加热,因此,可以加热和蒸馏易燃有机物,也可加热沸点较高的化合物,适应加热温度范围较广。电热套使用时大小要合适,否则会影响加热效果。

此外,还可以采用其他方法进行加热。如蒸馏低沸点溶剂时,可以用250W的红外灯加热。将物质高温加热时,也可以使用熔融的盐。

2.1.2  冷却方法

在实验中有些反应的中间体在室温下是不稳定的,必须在低温下进行;有的为放热反应,常产生大量的热,使反应难以控制。有些化合物的分离、提纯要求在低温下进行。通常根据不同的要求,选用合适的冷却技术。

(1)自然冷却

热的液体可在空气中放置一定时间,任其自然冷却至室温。

(2)冷风冷却和流水冷却

当实验需要快速冷却时,可将盛有溶液的器皿放在冷水流中冲淋或用鼓风机吹风冷却。

(3)冷冻剂冷却

要使反应混合物的温度低于室温时,最常用的冷冻剂是冰或冰和水的混合物,由于后者能和器壁接触得更好,因此它的冷却效果要比单用冰好。若需要把反应混合物冷却到0℃以下时,可用冰盐溶液,如100g 碎冰和3OgNaCl混合物,温度可降至-20℃。

液氨也是常用的冷却剂,温度可达-33℃。

将干冰 (固体二氧化碳)与适当的有机溶剂混合时,可得到更低的温度。与乙醇的混合物可达到-72℃,与乙醚、丙酮或氯仿的混合物可达到-78℃。液氮可冷至-188℃。

注:

必须指出,温度低于-38℃时,不能用水银温度计,应改用装有有机液体的低温温度计。

2.2  物质的干燥方法

除去固体、液体或气体中所含的少量水分和有机溶剂的操作过程叫干燥。许多化学实验必须在无水条件下进行,这就要求所用的原料、溶剂和仪器都要干燥,实验过程中还要防止空气中的水气进入反应器, 否则将影响产品的质量和产率。有机化合物在蒸馏前必须进行干燥,以防加热使某些化合物发生水解,或与水形成共沸混合物。测定化合物的物理常数,对化合物进行定性、定量分析,利用色谱、紫外光谱、红外光谱、核磁共振谱、质谱等方法对化合物进行结构分析和测定,都必须使化合物完全处于干燥状态,才能得到正确的结果。

2.2.1  基本原理

干燥方法分为物理方法和化学方法。

物理方法有自然晾干、烘干、真空干燥、分馏、共沸蒸馏及吸附等。此外,离子交换树脂和分子筛也常用于脱水干燥。离子交换树脂是一种不溶于水、酸、碱和有机物的高分子聚合物。分子筛是多种硅铝酸盐晶体。因为它们内部都有许多空隙或孔穴,可以吸附水分子。加热后,又可释放出水分子,故可反复使用。

化学方法是用干燥剂来进行脱水。干燥剂按其脱水作用可分为两类:第一类能与水可逆地生成水合物,如氯化钙、硫酸镁、硫酸钠等;第二类与水反应后生成新的化合物,如金属钠、五氧化二磷等。实验室应用较广的是第一类干燥剂。

2.2.2  液体的干燥

1利用分馏或共沸混合物去水

对于不与水生成共沸混合物的液体有机物,例如甲醇和水的混合物,由于沸点相差较大,用分馏即可完全分开。有时可以利用某些有机物与水形成共沸混合物的特性,向待干燥的有机物中加入另一有机物,利用此有机物与水形成最低共沸物的性质,在蒸馏时逐渐将水带出,从而达到干燥的目的。例如,工业上制备无水乙醇的方法之一就是将苯加入95%的乙醇中,利用乙醇、水和苯三者形成共沸混合物的特性经共沸蒸馏将水带出去。

(2)使用干燥剂脱水

①干燥剂的选择

干燥液体时,一般是将干燥剂直接投入其中。因此要求干燥剂不能与被干燥的液体发生化学反应,不能溶解于被干燥液体中。例如酸性物质不能用碱性干燥剂。有的干燥剂能与某些待干燥的物质形成络合物, 如氯化钙易与醇、胺及某些醛、酮形成络合物;氧化钙、氢氧化钠等强碱性干燥剂能催化某些醛、酮的缩合及氧化等反应,使酯类发生水解反应等,故不能用来干燥这些物质。

选择干燥剂时还要考虑干燥剂的吸水容量和干燥性能。吸水容量是指单位质量的干燥剂所吸收的水量。吸水容量越大,干燥剂吸收水分越多。例如硫酸钠最多能形成10个结晶水的水合物,其吸水容量为1.25;氯化钙最多能形成6个结晶水的水合物,其吸水容量为0.97,所以硫酸钠的吸水容量大。干燥效能是指达到平衡时被干燥液体的干燥程度。对于形成水合物的无机盐干燥剂,常用吸水后结晶水的蒸气压表示。干燥剂吸水形成水合物是一个平衡过程,形成不同的水合物平衡时有不同的水蒸气压,水蒸气压越大,干燥效果越差。干燥含水量较多而又不易干燥的化合物时,常先用吸水容量较大的干燥剂除去大部分水分,然后再用干燥效能较强的干燥剂除去残留的微量水分。选用时还应注意干燥剂的干燥速度和价格等因素。常用干燥剂的性能和应用范围见表2-1:

2.1  干燥剂的性能和应用范围

干燥剂 吸水作用 吸水容量 干燥

效能

干燥速度 应用范围
氯化钙 形成CaCl2·nH2O

n=1,2,4,6

0.97

(以CaCl2·6H2O计)

中等 较快,但吸水后表面为薄层液体所盖,故放置时间要长些为宜。 能与醇、酚、酰胺及某些醛、酮形成络合物。工业品中可能含氢氧化钙,故不能用来干燥酸类。
硫酸镁 形成MgSO4·nH2O

n=1,2,4,5,6,7

1.05

(以MgSO4·7H2O计)

较弱 较快 中性,应用范围广,可代替CaCl2,并可用以干燥酯、醛、酮、腈、酰胺等不能用CaCl2干燥的化合物。
硫酸钠 Na2SO4·10H2O 1.25 缓慢 中性,一般用于有机液体的初步干燥。
硫酸钙 2CaSO4·H2O 0.06 中性,常与硫酸镁(钠)配合,作最后干燥之用。
碳酸钾 K2CO3·1/2H2O 0.2 较弱 弱碱性,用于干燥醇、酯、酮、胺及杂环等碱性化合物,不能用于干燥酸、酚及其他酸性化合物。
氢氧化钾(钠) 溶于水 中等 强碱性,用于干燥胺、杂环等碱性化合物,不能用于干燥醇、酯、醛、酮、酸、酚等。
金属钠 Na+ H2O= NaOH+1/2H2 限于干燥醚、烃类中痕量水分。用时切成小块或压成钠丝使用。
氧化钙 CaO+H2O=Ca(OH)2 较快 适于干燥低级醇类。
五氧化二磷 P2O5+ 3H2O= 2H3PO4 快,但吸水后表面为粘浆覆盖,操作不便。 适于干燥醚、烃、卤代烃、腈等中的痕量水分。不适用于醇、酸、胺、酮等。
分子筛 物理吸附 约0.25 适用于各类有机化合物的干燥。

 

②干燥剂的用量

可根据干燥剂的吸水容量和水在液体中的溶解度来估算干燥剂的用量。由于在萃取或水洗时,难以把水完全分净,因此一般情况下,干燥剂的实际用量都大于理论值。另外,对于极性物质和含亲水性基团的液体化合物,干燥剂需过量一些。但干燥剂的用量不宜过多,因干燥剂表面会吸附部分产品,造成产品的损失。由于液体中的水分含量不等,干燥剂的质量、颗粒大小和干燥时的温度不同,以及干燥剂也可能吸收一些副产物等,因此很难规定干燥剂的具体用量,大体上说,每10mL液体约需0.5~1g干燥剂。

③实验操作

将被干燥液体的水分尽可能分离干净,分液时若有一些絮状物,宁可弃掉。将液体放于一个干燥的锥形瓶中,先加入少量干燥剂,塞好塞子,振摇锥形瓶,如果干燥剂已附着在瓶底并粘结在一起,说明干燥剂用量不够,应再添加一些,直到瓶中明显看到松动的干燥剂颗粒,再放置一段时间(至少半小时)。有时,加入干燥剂后会出现少量水层,这时应小心地用滴管吸去水层,再加入新的干燥剂。应当注意,加入干燥剂后液体由浑浊变澄清并不说明该液体已经干燥。透明与否,与化合物在水中的溶解度有关。

块状干燥剂如氯化钙,使用时应破碎成黄豆大小的颗粒,颗粒太大则表面积小,吸水缓慢;颗粒太小则会吸附较多液体,且难以过滤分离。

干燥剂吸水形成水合物的过程是个可逆过程,高温时水合物会失水,降低干燥性能。因此,蒸馏前必须把干燥剂滤掉。某些干燥剂(如金属钠、五氧化二磷)与水生成比较稳定的产物,有时不必过滤,可直接进行蒸馏。

2.2.3  固体的干燥

固体物质的干燥,主要是除去残留在固体上的少量低沸点溶剂,如水、乙醇、乙醚、丙酮和苯等。

(1)自然晾干

自然干燥适用于在空气中稳定、不分解、不吸潮的固体。干燥时,把待干燥的物质放在干燥洁净的表面皿或其他器皿上,薄薄地摊开,上覆滤纸,让其在空气中慢慢晾干。

(2)烘干

对热稳定、不易升华、熔点较高的化合物可以用恒温烘箱或红外干燥箱烘干。应控制好加热温度,以防样品变黄、熔化甚至分解、炭化。含有溶剂的固体可能在低于其熔点温度下熔融。烘干时应经常翻动、以防结块。

(3)干燥器干燥

对于易分解或易升华的固体不能加热干燥,可在干燥器内干燥。常见的干燥器为以下两种。

①普通干燥器(图2.2),盖与缸身之间的平面经过磨砂,在磨砂处涂以润滑油,使之密闭。缸中有多孔瓷板,瓷板下面放置干燥剂,上面放置盛有待干燥样品的表面皿等。

②真空干燥器(图2.3),它的干燥效率较普通干燥器好。真空干燥器上有玻璃活塞,用以抽真空,活塞下端呈弯钩状,口向上,防止在通向大气时因空气流入太快将固体冲散。

使用的干燥剂应按样品所含的溶剂来选择。例如,五氧化二磷可吸水;生石灰可吸水或酸;石蜡片可吸收乙醚、氯仿、四氯化碳和苯等。干燥器中有时同时放置两种干燥剂,如在底部放置浓硫酸,另外将盛有氢氧化钠的器皿放在瓷板上,既可以吸收水又可以吸收酸,效果更佳。

2.2 普通干燥器   2.3  真空干燥器

2.2.4  气体的干燥

实验室中产生的气体常常有酸雾、水气和其他杂质。如果实验需要对气体进行净化和干燥,所用的吸收剂、干燥剂应根据不同气体的性质及气体中所含杂质的种类进行选择。通常酸雾可用水除去,水气可用浓硫酸、无水氯化钙等除去,其他杂质亦应根据具体情况分别处理。

气体的净化和干燥是在洗气瓶(图2.4)和干燥塔(图2.5)中进行的。液体处理剂(如水、硫酸等)盛于洗气瓶中,洗气瓶底部有一多孔板,导入气体的玻璃管插入瓶底,气体通过多孔板很好地分散在液体中,增大了两相的接触面积。如果实验室没有洗气瓶,也可以用一带有两塞子的锥形瓶代替。用固体净化气体时采用干燥管或干燥塔。管中或塔内根据具体要求装氢氧化钠、无水氯化钙等固体颗粒,装填时既要均匀,又不能颗粒太细,以免造成堵塞。装填法如图2.5所示。

2.4  洗气瓶

           2.5 干燥管和干燥塔

2.3  熔点的测定和温度计的校正

2.3.1  基本原理

熔点是固体物质的固液两态在一个大气压力下达到平衡时的温度。纯净的固体化合物一般都有固定的熔点,固液两相之间的变化非常敏锐,从初熔到全熔的温度范围(称熔距或熔程)一般不超过0.5℃~1℃(液晶除外)。当混有杂质时,熔点就有显著的变化,熔点降低,熔程增长。因此,通过测定熔点,可以鉴别未知的固态化合物和判断化合物的纯度。图2.6 是化合物的温度与蒸气压曲线图。其中SM表示固态的蒸气压随温度升高的曲线,ML表示液态的蒸气压随温度升高的曲线,在两个曲线的交叉点M处,固态、液态、气态三相共存,而且达到平衡,此时的温度TM 即为该化合物的熔点。温度高于TM 时,固相的蒸气压较液相的蒸气压大,固相全部转化为液相;温度低于TM 时,液相则转变为固相。只有在温度为TM 时,固液两相的蒸气压相同,固液两相才可同时存在,因此一个纯粹的化合物的熔点是很敏锐的。

2.物质蒸气压随温度变化曲线

将一个纯粹的固体化合物以恒定速率加热,升温速度与时间变化均为恒定数值,用加热时间对温度作图(图2.7)。温度升高,固体的蒸气压增大,当温度达到熔点TM 时,先有少量液体出现,而后固液两相达到平衡,这时所提供的热量使固体熔化转化为液体,而化合物的温度不会升高,待固体全部熔化后,熔化了的液体的温度才逐渐上升。

2.相随时间和温度的变化

可熔性杂质可以使固体化合物的熔点降低,扩大其熔点间隔,如图2.6所示。微量杂质存在时,根据拉乌尔(Raoult)定律可知,在一定温度和压力下,增加溶质的摩尔数导致溶剂的蒸气分压降低,这时的蒸气压-温度曲线是图2.6中SM′L′,M′是三相点,相应温度是TM,它低于TM这就是有杂质存在的有机物熔点降低的原因。

少数有机化合物,在加热尚未达到其熔点前即局部分解,分解物的作用与可熔性的杂质相似。因此这一类的化合物没有恒定的熔点。

2.3.2  熔点的测定

1毛细管熔点测定法

①熔点管的制备

将拉制好的直径1~1.5mm、长为7cm左右的毛细管一端熔封,作为熔点管。

②样品的填装

取0.1~0.2g样品,置于干净的表面皿中,用角匙或玻璃棒研成很细的粉末,聚成小堆。将毛细管开口一端倒插入粉末中,样品便被挤入管中,再把开口一端向上,轻轻在桌面上敲击,使粉末落入管底。取一根长约30~4Ocm 的玻璃管,垂直放于一个干净的表面皿上,将熔点管从玻璃管上端自由落下,反复数次,使样品夯实。重复操作,直至样品高约2~3mm为止。粘在管外的样品要擦去,以免污染加热浴液。装入的样品一定要研得很细且夯实。如果有空隙则传热不均匀,影响测定结果。

③仪器及安装

实验室最常用的装置为b形熔点测定管,见图2.8,也称提勒管(Thiele tube)。管内加入浴液,高度达上叉管处即可,管口装有开口软木塞,温度计插入其中(或用铁架台上的铁夹吊住温度计),刻度面向开口,水银球位于b形管上下两叉管口之间。将装好样品的熔点管沾少许浴液粘附于温度计下端,也可以用棉皮圈套在温度计上(注意橡皮圈应在浴液液面之上)。调节毛细管位置,使样品部分置于水银球侧面中部。

装置中用的浴液,通常有水、浓硫酸、甘油、液体石蜡和硅油等。温度低于100℃时,可用水。温度低于140℃时,最好选用液体石蜡和甘油。若温度高于140℃,可选用浓硫酸。热的浓硫酸具有极强的腐蚀性,要注意加热适当,以免溅出伤人。使用浓硫酸作浴液,有时由于有机物掉入酸内而变黑,妨碍对样品熔融过程的观察。在此情况下,可以加入一些KNO3晶体,以除去有机物。硅油可以加热到250℃,且比较稳定,透明度高,无腐蚀性,但价格较贵。

2.8  测熔点的装置

④实验操作

a.粗测  若测定未知物的熔点,应先粗测一次。粗测时,升温速度可快些,约每分钟     5℃~6℃。认真观察并记录现象,直至样品熔化。这样可以测得一个粗测的熔点。

b.精测  让热浴液慢慢冷却到样品粗测熔点以下20℃左右。在冷却的同时,换上一根新的装有样品的毛细熔点管做精测。注意每一次测定必须用新的毛细管另装样品,不能将己测定过的毛细管冷却后再用。

精测时,开始升温速度为每分钟5℃~6℃,当离粗测熔点10℃~15℃时,调整火焰,使上  升温度为每分钟1℃左右。愈接近熔点,升温速度应愈慢,掌握升温速度是测定熔点的关键。密切注意毛细管中样品的变化情况,当样品开始塌落,并有液相产生时(部分透明),表示开始熔化(初熔),当固体刚好完全消失时(全部透明),则表示完全熔化(全熔)。

c.记录  记下初熔和全熔的两点温度,即为该化合物的熔程。例如某化合物在121℃时有液滴出现,在122.0℃时全熔,其熔点为121.0℃~122.0℃,熔程为1℃。

另外,在加热过程中应注意是否有萎缩、变色、发泡、升华、炭化等现象,如有应如实记录。

测定已知物熔点时,要测定两次,两次测定的误差不能大于±1℃。测定未知物时,要测三次,一次粗测,两次精测,两次精测的误差也不能大于±1℃。

d.后处理  实验完毕,取下温度计,让其自然冷却至接近室温时,用水冲洗干净。

若用浓硫酸作浴液,温度计用水冲洗前,需用废纸擦去浓硫酸,以免其遇水发热使水银球破裂。等 b形管冷却后,再将浴液倒入回收瓶中。

(2)显微熔点仪测定法

利用该仪器可以测定微量及高熔点样品的熔点,并可观察晶体的晶型及在加热中变化的全过程,如结晶的失水、多晶的变化、升华及分解等。显微熔点测定仪及其使用方法见1.3.4。

3)数字式熔点仪测定法

使用数字式熔点测定仪测定试样的熔点,仪器可以直接显示终熔温度,通过指针的偏转了解到样品的熔解情况,也可直接读出初熔温度,方法简单快捷。数字式熔点测定仪及其使用方法见1.3.4。

2.3.3  温度计的校正

测熔点时,温度计上的熔点读数与真实熔点之间常有一定的偏差。这可能由于以下原因:

(l)温度计的制作质量差,如毛细管孔径不均匀,刻度不准确。

(2)普通温度计的刻度是在温度计全部均匀受热的情况下刻出来的。但我们在测定温度时,常常仅将温度计的一部分插入热液中,有一端水银线露在液面外,这样测定的温度比温度计全部浸入液体中所得的结果偏低。

(3)经长期使用的温度计,玻璃也可能发生体积变形而使刻度不准。因此,若要精确测定物质的熔点,就需校正温度计。

温度计的校正方法为:选择数种已知熔点的纯化合物为标准,测定它们的熔点,以观察到的熔点作纵坐标,测得熔点与已知熔点差值作横坐标,画成曲线,即可从曲线上读出任一温度的校正值。校正温度计的标准化合物的熔点见表2.2

2.标准化合物的熔点

化  合  物 熔  点/℃ 化  合  物 熔  点/℃
H2O-冰(蒸馏水制)

α-萘胺

二苯胺

苯甲酸苯酯

间二硝基苯

二苯乙二酮

乙酰苯胺

0

50

53

69.5~71.0

80

90

95~96

114

苯甲酸

尿素

二苯基羟基乙酸

水杨酸

对苯二酚

3,5-二硝基苯甲酸

酚酞

122

133

151

158

173~174

205

216.2~216.4

262~263

 

实验室常用浴液见表2.3

表2.3  实验室常用浴液

浴  液  名  称 适  用  温  度  范  围

液体石蜡

浓硫酸

浓硫酸+硫酸钾(7+3)

聚有机硅油

无水甘油

邻苯二甲酸二丁酯

真空泵油

0℃~100℃

230℃以下

220℃以下(敞口容器中)

325℃以下

350℃以下

150℃以下

150℃以下

250℃以下

 实验三  熔点的测定

 

一、实验目的

  1. 了解测定熔点的原理;
  2. 掌握熔点测定的方法。

二、仪器和试剂

仪器:提勒管;温度计;表面皿;酒精灯。

试剂:萘;乙酰苯胺;苯甲酸;固体未知样1~2个。

三、实验内容

  1. 毛细管法测定标准化合物萘的熔点;
  2. 用数字式熔点仪测定乙酰苯胺或苯甲酸的熔点;
  3. 由教师指定未知样1~2个,测定熔点鉴定之。

本实验约需2h。

四、注释

(1)已测定过的试样由于分解、晶形改变等原因,与原试样不同,不能再用于测定;

(2)影响熔点测定准确性的因素可能包括试样的纯度、试样量、试样的粒度、加热速度、温度的准确读数等,必须严格掌握。

五、思考题

  1. 毛细管法测定熔点时,使用提勒管的好处是什么?如何选择浴液?怎样控制升温速度?
  2. 测定有机物熔点时,若遇到下列情况,对所测熔点的结果有何影响?

①毛细管的管壁较厚;②毛细管没有完全烧熔封闭;③毛细管内不洁净;④试样研磨不细、装填不密实;⑤试样装填太多;⑥温度计与毛细管位置固定不正确;⑦温度计未校正。

2.4  蒸馏与沸点的测定

蒸馏是提纯液体物质和分离混合物的一种常用的方法。通过蒸馏还可以测出化合物的沸点,所以它对鉴定纯粹的液体有机化合物也具有一定的意义。

2.4.1  蒸馏的原理

蒸馏是将液体加热至沸腾,使液体变为蒸气,然后使蒸气冷却再凝结为液体,这两个过程的联合操作称为蒸馏。蒸馏可将易挥发和不易挥发的物质分离开来,也可以将沸点不同的液体混合物分离开来。

液体的蒸气压只与体系的温度有关,而与体系中存在的液体和蒸气的绝对量无关。当液体化合物受热时,其蒸气压随温度的升高而增大,当液面蒸气压增大到与外界大气压相等时,就有大量气泡从液体内部逸出,即液体沸腾,这时的温度称为液体的沸点。显然沸点与所受外界压力的大小有关。通常所说的沸点是在0.1MPa压力下液体的沸腾温度。

普通蒸馏是利用液态化合物的沸点的差异进行分离的。只有当混合液体的沸点有显著不同时(至少相差30℃以上),普通蒸馏才能使其有效分离。当一个二元或三元互溶的混合物各组分的沸点相差不大时,简单蒸馏难以将它们分离,此时,必须采用分馏的方法。

由于一个纯粹的液态化合物在一定压力下具有固定的沸点,所以蒸馏法还可以用于测定物质的沸点,检验物质的纯度。但要注意具有固定沸点的物质不一定都是纯物质。这是因为某些有机化合物常常和其他组分形成二元或三元共沸混合物,这些混合物也具有固定的沸点。由于共沸混合物在气相中的组分与液体中一样,所以不能用蒸馏的方法进行分离。

2.4.2  蒸馏操作

1蒸馏装置的安装

蒸馏装置主要由圆底烧瓶、蒸馏头、温度计、直型冷凝管、接引管和接收器组成(见图2.9)。蒸馏烧瓶是蒸馏操作中最常用的容器,蒸馏烧瓶容量的选择由待蒸馏液体的体积来决定,通常所蒸馏的液体的体积应占蒸馏烧瓶容量的1/3~2/3。磨口温度计可以直接插入蒸馏头,普通温度计可以用温度计套管固定在蒸馏头上口。温度计水银球的上限应和蒸馏头侧管的下限在同一水平线上。直型水冷凝管中的水从下口进入,上口流出,保证冷凝管中始终充满水。如果被蒸馏液体的沸点在140℃以上,则改用空气冷凝管。接引管的支管与大气相通,如果蒸馏出的物质易受潮分解,可以在接收器上连接一个氯化钙干燥管,以防湿气的侵入;如果蒸馏出的物质有毒,则可以装配一个气体吸收装置。

安装仪器顺序一般总是自下而上,从左到右。要准确端正、横平竖直。全套仪器的轴线都要在同一平面内。铁架台应整齐地放在仪器的背部。除接引管与接收瓶之间外,整个装置中的各部分都应装配紧密,防止有蒸气漏出而造成产品损失或其他危险。

2.9  蒸馏装置

(2)蒸馏操作

①加料  蒸馏装置安装好后,将待蒸馏液体经长颈漏斗倒入蒸馏烧瓶中(应避免液体流入冷凝管里),加入2~3 粒沸石,然后装好温度计。

②加热  缓慢通入冷却水后,点火加热。开始加热时,加热速度可以稍快。加热至沸腾后,温度计读数会快速上升,此时应调节加热速度,馏出液的蒸出速度为每秒钟1~2滴为宜

③收集与记录  记录第一滴馏出液滴人接收瓶时的温度并接收沸点较低的前馏分。当温度升至所需沸点范围并恒定时,更换另一接收瓶收集,并记录此时的温度范围,即馏分的沸点范围。所收集馏分的沸点范围越窄,则馏分的纯度越高。一般收集馏分的温度范围在

l℃~2℃。

④停止蒸馏与拆卸仪器  当温度上升至超过所需范围或烧瓶中仅残留少量液体时(注意不能蒸干!) 即停止蒸馏。先移去热源,体系稍冷却后,停止冷凝水,拆下仪器。拆卸仪器的顺序与安装顺序相反。最后称重产品并记录。

注:

① 在加热前应加入沸石,以防止暴沸。如果加热前忘记加沸石,液体稍冷后再补加,然后继续加热。若中途因故停止蒸馏,当再次蒸馏时,不能沿用烧瓶内的原有沸石,而应重新加入沸石。

② 蒸馏低沸点易燃液体(如乙醚等)时,不能用明火加热,附近也严禁有明火。

③ 蒸馏速度过快会使蒸气过热,破坏气液平衡,影响分离效果。

2.4.3  沸点的测定

沸点的测定分为常量法和微量法。常量法的装置和操作与一般蒸馏相同。微量法测沸点可用图2.10 所示装置。沸点管有内外两管,内管是长约5cm、一端封闭、内径为lmm的毛细管;外管是长7~8cm、一端封闭、内径为4~5mm的小玻璃管。

取3~4滴待测样品滴入沸点管的外管中,将内管开口向下插入外管中,然后用橡皮圈把沸点管固定在温度计旁,使装样品的部分位于温度计水银球的中部,然后将其插入热浴中加热。若用b形管加热,则应调节温度计的位置使水银球位于上下两叉管中间;若用烧杯加热,则为了加热均匀,需要不断搅拌。

(a)沸点管附着在温度计上的位置   (b)b形管测沸点装置

2.10  微量法沸点测定装置

装置安装完毕后,开始加热,随着温度的升高,由于气体受热膨胀,内管中很快会有小气泡缓缓地从液体中逸出。当温度升到比沸点稍高时,管内将有一连串的气泡快速逸出,此时停止加热。随着浴液温度的降低,气泡逸出的速度渐渐减慢。当气泡不再冒出而液体刚要进入沸点内管(即最后一个气泡刚要缩回毛细管)时,立即记下温度计上的温度,即为该液体的沸点。每支毛细管只可用于一次测定,一个样品测定需重复2~3次,测得平行数据差应不超过1℃。

 

实验四  沸点的测定

 

一、实验目的

  1. 熟悉微量法测定液体化合物沸点的原理和仪器装置;
  2. 学习沸点测定的操作方法及其应用。

二、仪器和试剂

仪器:提勒管;温度计;沸点管;酒精灯。

试剂:四氯化碳;液体未知样1~2个。

三、实验内容

  1. 测定四氯化碳的沸点;
  2. 由教师指定未知样1~2个,测定沸点并鉴定之。

本实验约需2h。

四、注释

(1)微量法测沸点装置与提勒管测熔点相似,所不同的是测熔点用的毛细管被沸点管取代。测定方法是把试样滴入外管内,将毛细管开口端插入外管中,然后用橡皮圈把沸点管固定在温度计旁,像测定熔点一样放入提勒管内,慢慢地加热浴液,进行测定。

五、思考题

  1. 微量法沸点测定与常量法沸点测定有什么不同?
  2. 微量法沸点测定操作中,如何准确判断沸腾现象及相关温度?连续气泡溢出与气泡回缩的关键是什么?

2.5  分馏

液体混合物中的各组分,若其沸点相差较大,可用普通蒸馏的方法分离,若其沸点相差不太大, 则用普通蒸馏法就难以精确分离,而应当用分馏的方法分离。应用分馏柱将几种沸点相近的化合物的混合物进行分离的方法称为分馏。最精密的分馏设备已能将沸点相差仅1℃~2℃的混合物分开,分馏的原理与普通蒸馏相同,实际上分馏相当于多次蒸馏。

2.5.1  基本原理

如果将两种挥发性液体的混合物进行蒸馏,在沸腾温度下,其气相与液相达成平衡,出来的蒸气中含有较多量易挥发物质组分,该蒸气冷凝后的液体所含的组成与气相等同,即含有较多的易挥发组分,而残留物中却含有较多量的高沸点组分。这就完成了一次简单的蒸馏。如果将蒸气凝成的液体重新蒸馏,即又进行一次气液平衡,再度产生的蒸气中所含的易挥发物质组分又有所增高,同样,将此蒸气再经过冷凝而得到的液体中易挥发物质的组分相应也会这样,我们可以利用一连串的有系统的重复蒸馏,最后得到接近纯组分的两种液体。但应用这样反复多次的简单蒸馏既浪费时间,又损失很大,所以通常利用分馏来进行分离。

利用分馏柱进行分馏,实际上就是在分馏柱内使混合物进行多次气化和冷凝。当上升的蒸气和下降的冷凝液互相接触时,二者进行热交换,蒸气中高沸点的组分被冷凝,低沸点组分仍呈蒸气上升;结果,上升蒸气中低沸点组分含量增多,而下降的冷凝液中高沸点组分增多。 经过如此多次气-液两相间的热交换, 就相当于连续多次的普通蒸馏过程,以致低沸点的组分不断上升而被蒸馏出来,而高沸点组分则不断流回烧瓶中,从而达到分离的目的。

了解分馏原理最好是应用恒压下的沸点-组成曲线图(称为相图,表示这两组分体系中相的变化情况)。通常它是用实验测定在各温度时气液平衡状况下的气相和液相的组成,然后以横坐标表示组成,纵坐标表示温度而作出的。图2.11 即大气压下苯-甲苯溶液的沸点组成图,从图中可以看出,由苯20%和甲苯 80%组成的液体(L1)在102℃时沸腾,和此液相平衡的蒸气(Vl)组成约为苯40%和甲苯60%。若将此组成的蒸气冷凝成同组成的液体(L2),则与此溶液成平衡的蒸气(V2)组成约为苯60%和甲苯40%。显然,如此继续重复, 即可获得接近纯苯的气相。

2.11  甲苯体系的沸点组成曲线图

2.5.2  基本操作

实验室中简单的分馏装置包括热源、蒸馏烧瓶、分馏柱、温度计、冷凝管和接收器等(见图1.8)。分馏装置中最主要的部分为分馏柱,实验室常用的分馏柱有填充式分馏柱和刺形分馏柱(或称维氏分馏柱)(参见表1.2)。填充式分馏柱是在柱内填充一些制成各种形状的惰性材料,目的是增加表面积,如各种形状的金属片(螺旋形、马鞍形、网状等)、陶瓷杯、玻璃珠、玻璃管等。填充式分馏柱分馏效率较高,刺形分馏柱结构简单,较填充式分馏柱粘附的液体少,但分馏效率较低。

分馏装置的装配原则和蒸馏装置完全相同。先把待分馏的液体倒入烧瓶中,其体积以不超过烧瓶的1/2 为宜。分馏操作与普通蒸馏操作大体相同,但要达到较好的分离效果应注意以下几点:

(1) 应根据待分馏液体的沸点范围,选用合适的热浴加热,加热速度应缓慢。不要在石棉网上直接用火加热。

(2) 待液体开始沸腾,蒸气进入分馏柱中时,要注意调节浴温,使蒸气环缓慢而均匀地沿分馏柱壁上升。若由于室温低或液体沸点较高,为减少柱内热量的散发,宜将分馏柱用石棉绳等包缠起来。

(3) 当蒸气上升到分馏柱顶部,开始有液体馏出时,更应密切注意调节浴温,控制馏出液的速度为每2~3 秒钟一滴。如果分馏速度太快,馏出物纯度将下降;但也不宜太慢,否则上升的蒸气时断时续,馏出温度有所波动。

(4) 根据实验规定的要求,分段收集馏分,应注意记录每一馏分的沸点范围和质量。

2.6  减压蒸馏

减压蒸馏适用于在常压下沸点较高及常压蒸馏时易发生分解、氧化、聚合等反应的热敏性有机化合物的分离提纯。一般把低于一个大气压的气态空间称为真空,因此,减压蒸馏也称为真空蒸馏。

2.6.1  基本原理

液体的沸点与外界施加于液体表面的压力有关,随着外界施加于液体表面压力的降低,液体沸点下降。沸点与压力的关系可近似地表示为:

lgp = A + ……………………………………………………(2.1)

式中p为液体表面的蒸气压,T为溶液沸腾时的热力学温度,A和B为常数。如果用lgp作纵坐标,1/T 为横坐标,可近似得到一条直线。从二元组分已知的压力和温度,可算出A和B的数值,再将所选择的压力代入式(2.1) 即可求出液体在这个压力下的沸点。表2.4给出了部分有机化合物在标准大气压下的的沸点。

2.4  部分标准化合物的沸点

化  合  物  名  称 b.p/℃ 化  合  物  名  称 b.p/℃
溴乙烷

丙酮

氯仿

四氯化碳

甲苯

对硝基甲苯

38.4

56.1

61.3

76.8

80.1

100.0

110.6

238.3

氯苯

溴苯

环己醇

苯胺

苯甲酸甲酯

硝基苯

水杨酸甲酯

 

131.8

156.2

161.2

184.5

199.5

210.9

223.0

但实际上许多物质的沸点变化是由分子在液体中的缔合程度决定的,不符合公式 (2.1)。因此,在实际操作中我们可以参考图2.12所示的经验曲线图表,找出某一物质在一定压力下的沸点。用一把尺子通过图中的两个数据点,两个数据点的连线与第三条直线的交点便是所要查的数据。如苯甲酸乙酯在常压下的沸点为213℃,需要减压至2.67KPa(2OmmHg), 将尺子通过图中B线213的点和C线20的点,此两点的延长线与A线的交点就是2.67kPa时苯甲酸乙酯的沸点,约为100℃。

压力对沸点的影响还可以作如下估算:

(l)压力降低到2.67KPa(20mmHg),大多数有机化合物的沸点比常压(0.1MPa(760mmHg))的沸点低100℃~120℃。

(2)压力在1.33~3.33KPa(10~25mmHg)之间,大体上压力每相差0.133kPa(1mmHg),沸点约相差1℃。

(3)压力在3.33KPa(25mmHg)以下,压力每降低一半,沸点下降约10℃。

对于具体某个化合物减压到一定程度后其沸点是多少,可以查阅有关资料,但更重要的是通过实验来确定。

按国家标准,压力的单位应为Pa,1mmHg=0.133kPa

2.12  液体在常压、减压下的沸点近似

2.6.2  基本操作

1减压蒸馏装置

常用的减压蒸馏系统可分为蒸馏、抽气(减压)、安全系统和测压四部分。微量减压蒸馏装置如图2.13 所示。整套仪器必须装配紧密,所有接头润滑并密封,防止漏气,这是保证减压蒸馏顺利进行的先决条件。

①蒸馏部分  蒸馏部分由圆底烧瓶、克氏蒸馏头、冷凝管、多头接引管和接收器组成。克氏蒸馏头带有支管一侧的上口插温度计,另一口插一根毛细管,下端距瓶底约1~2mm。毛细管上端加一节乳胶管并插入一根细铜丝,用螺旋夹夹住,用以调节进气量。毛细管的作用是在抽真空时,将微量气体抽进反应体系中,起到搅拌和气化中心的作用,防止液体暴沸。因为在减压条件下沸石已不能起气化中心的作用。进行半微量和微量减压蒸馏时,用电磁搅拌器搅动液体可以防止液体暴沸(常量减压蒸馏时,因为被蒸馏液体较多,用此方法不太妥当)。

②抽气部分  实验室通常用水泵或油泵进行减压,见1.3.4节。

水泵:见图1.16。其效能与构造、水压及水温有关。水泵所能达到的最低压力为当时室温下的水蒸气压。例如水温为6℃~8℃时,水蒸气压为0.93~1.07kPa;水温为30℃,水蒸气压为4.2kPa左右。

2.13  微量减压蒸馏装置图

油泵:油泵的效能决定于油泵的机械结构以及真空泵油的好坏(油的蒸气压必须很低),见图1.17。好的油泵能抽至真空度为13.3Pa。油泵结构较精密,工作条件要求较严。蒸馏时,如果有挥发性的有机溶剂、水或酸的蒸气,都会损坏油泵。因为挥发性的有机溶剂蒸气被油吸收后,就会增加油的蒸气压,影响真空效能。而酸性蒸气会腐蚀油泵的机件。水蒸气凝结后与油形成浓稠的乳浊液,破坏了油泵的正常工作,因此使用时必须十分注意油泵的保护。一般使用油泵时,系统的压力常控制在0.67~1.33kPa之间,因为在沸腾液体表面上要获得0.67kPa以下的压力比较困难。这是由于蒸气从瓶内的蒸发面逸出而经过瓶颈和支管 (内径为4~5mm)时,需要有0.13~1.07kPa的压力差,如果要获得较低的压力,可选用短颈和支管粗的克氏蒸馏瓶。

为了方便,常把不同真空度划分为几个等级:

a.低真空(0.1MPa(760 mmHg)~1.33KPa(1OmmHg)) 。一般可以从水泵获得。

b.中度真空(1.33Kpa~1.33×10-2kPa(10~10-3mmHg)。可由油泵获得。

c.高真空(1.33×10-2kPa~1.33×10-7KPa(10-3~10-8mmHg))。常采用机械泵与扩散泵串联抽气获得。

③安全系统  安全系统是由安全瓶(缓冲用吸滤瓶) 和2~3个分别装有无水氯化钙、氢氧化钠、活性炭等的吸收塔构成。安全瓶的作用不仅是防止压力下降或停泵时油(或水) 倒吸流入接收瓶中造成产品污染,而且还可以防止物料进入减压系统。安全瓶连接着泵和压力计(如果使用循环泵,泵本身带有压力表)。吸收塔的作用为保护油泵,通常连接在泵与压力计之间。

④测压部分  测压一般用水银压力计或压力表,也可用带有压力表的循环水泵直接测得,实验室常用压力计,见图1.18。

(2)减压蒸馏操作要点

①减压蒸馏时,蒸馏瓶和接收瓶均不能使用不耐压的平底仪器(如锥形瓶、平底烧瓶等)和薄壁或有破损的仪器,以防由于装置内处于真空状态,外部压力过大而引起爆炸。

②减压蒸馏的关键是装置密封性要好,因此在安装仪器时,应在磨口接头处涂抹少量凡士林,以保证装置密封和润滑。温度计一般用一小段乳胶管固定在温度计套管上,根据温度计的粗细来选择乳胶管内径,乳胶管内径略小于温度计直径为好。

③仪器装好后,应空试系统是否密封。具体方法是:a.泵打开后,将安全瓶上的放空阀关闭,拧紧毛细管上的螺旋夹,待压力稳定后,观察压力计(表)上的读数是否到了最小或是否达到所要求的真空度。如果没有,说明系统内漏气,应进行检查。b.检查方法:首先将真空接引管与安全瓶连接处的橡胶管折起来用手捏紧,观察压力计(表)的变化,如果压力马上下降,说明装置内有漏气点,应进一步检查装置,排除漏气点;如果压力不变,说明自安全瓶以后的系统漏气,应依次检查安全瓶和泵,并加以排除或请指导老师排除。c.漏气点排除后,应再重新空试,直至压力稳定并且达到所要求的真空度时,方可进行后面的操作。

④减压蒸馏时,加入待蒸馏液体的量不能超过蒸馏瓶容积的1/2。待压力稳定后,蒸馏瓶内液体中有连续平稳的小气泡通过。如果气泡太大已冲入克氏蒸馏头的支管,则可能有两种情况:一是进气量太大,二是真空度太低。此时,应调节毛细管上的螺旋夹使其平稳进气。由于减压蒸馏时一般液体在较低的温度下就可以蒸出,因此,加热不要太快。蒸馏完后转动真空接引管(一般用双股接引管,当要接收多组馏分时可采用多股接引管),开始接收馏分,蒸馏速度控制在每秒1~2 滴。在压力稳定及化合物较纯时,沸程应控制在1℃~2℃范围内。

⑤停止蒸馏时,应先将加热器撤走,打开毛细管上的螺旋夹,待稍冷却后,慢慢地打开安全瓶上的放空阀,使压力计(表)恢复到零的位置,再关泵。否则由于系统中压力低,会发生油或水倒吸向安全瓶或冷阱的现象。

⑥为了保护油泵系统和泵中的油,使用油泵进行减压蒸馏前,应将低沸点的物质先用简单蒸馏的方法去除,必要时可先用水泵进行减压蒸馏。加热温度以产品不分解为准。

2.7  水蒸气蒸馏

水蒸气蒸馏主要用于蒸馏与水不混溶、不反应,并且具有一定挥发性(一般在近100℃时,蒸气压不小于1.33kPa) 的有机化合物。水蒸气蒸馏广泛用于在常压蒸馏时达到沸点后易分解物质的提纯和从天然原料中分离出液体产物和固体产物,尤其是在反应混合物中含有大量树脂状杂质时,效果比一般蒸馏或重结晶好。

2.7.1  基本原理

当对一个互不混溶的挥发性混合物进行蒸馏时,在一定温度下,每种液体将显示其各自的蒸气压,而不被另一种液体所影响,它们各自的分压只与各自纯物质的饱和蒸气压有关,即PA= p,PB= p,而与各组分的摩尔分数无关,其总压为各分压之和,即

PPAPB=pp…………………………………… (2.2)

可见,在一定的温度下,总的蒸气压总是大于任一组分的蒸气压。当p与外界大气压相等时,此混合物沸腾,其沸点将比其中任何单一组分的沸点都低。在常压下用水蒸气(或水)作为其中的一相,能在低于100℃的情况下将高沸点组分与水一起蒸出来。综上所述,一个由不混溶液体组成的混合物将在比它的任何单一组分(作为纯化合物时)的沸点都要低的温度下沸腾,用水蒸气(或水)充当这种不混溶相之一所进行的蒸馏操作称为水蒸气蒸馏。

水蒸气蒸馏中,两个不混溶液体的混合物在比其中任何单一组分的沸点都低的温度下沸腾,这一行为可用非理想溶液中最低共沸混合物的形成原理来解释。可把不混溶液体的行为看作是由两种流体间的极度不相溶性造成的,两种分子间的引力远远小于同种分子间的引力,使混合物的蒸气压比单一组分蒸气压高,形成了最低共沸混合物,蒸馏时沸点不变,组成一定。

水蒸气蒸馏时,馏出液两组分的组成由被蒸馏化合物的相对分子质量以及在此温度下两者相应的饱和蒸气压来决定。假定把体系看作理想体系,根据理想气体定律:

                   pVnRTRT……………………………………(2.3)

式中p为蒸气压,V为气体体积,W为气相下该组分的质量,M为纯组分的相对分子质量,R为理想气体常数,T为热力学温度,气相中两组分的理想气体方程分别表示为:

pVRT………………………………………(2.4)

pVRT…………………………………………(2.5)

将式(2.4) 和式(2.5)相比得到下式:

=…………………………………………(2.6)

在水蒸气蒸馏条件下,V = VB ,且温度相等,故式(2.6)可改写为:

=……………………………………………(2.7)

利用混合物的蒸气压与温度的关系可查出沸腾温度下水和组分B的蒸气压。图2.14给出了溴苯、水及溴苯-水混合物的蒸气压与温度的关系。从图中我们可以看出,当混合物沸点为95℃时,水的蒸气压为85.3KPa(640mmHg),溴苯为16.OkPa(120mmHg),代入式(2.7)得到:

2.14  苯、水水混合物的蒸气压与温度的关系

此结果说明,虽然在混合物沸点下溴苯的蒸气压低于水的蒸气压,但是,由于溴苯的相对分子质量大于水的相对分子质量,因此,在馏出液中溴苯的量比水多,这也是水蒸气蒸馏的一个优点。如果使用过热蒸汽,还可以提高组分在馏出液中的比例。

2.7.2  基本操作

1水蒸气蒸馏装置

水蒸气蒸馏装置由水蒸气发生器和简单蒸馏装置组成,见图1.10。当用直接法进行水蒸气蒸馏时,用简单蒸馏或分馏装置即可。

水蒸气发生器如图2.15所示。一种是由铜板或铁板制成,在装置的侧面安装一个水位计,以便观察发生器内水位,一般水位最高不要超过2/3,最低不要低于1/3。在发生器的上边安装一根长的玻璃管,将此管插入距发生器底部约1~2cm,可用来调节体系内部的压力并可防止系统发生堵塞时出现危险,蒸气出口管与冷阱连接,见图2.15。冷阱是一支玻璃三通管,它的一端与发生器连接,另一端与蒸馏瓶连接,下口接一段软的橡皮管,用螺旋夹夹住,以便调节蒸气量。另一种最简单、最常用的装置是由蒸馏瓶(500mL左右) 组装而成的简单水蒸气发生器。无论使用哪种水蒸气发生器,在与蒸馏系统连接时管路越短越好,否则水蒸气冷凝后会降低蒸馏瓶内温度,影响蒸馏效果。

2.15  水蒸气发生器

在100℃左右蒸气压较低的化合物可利用过热蒸气来进行蒸馏。例如可在T形管G 和烧瓶之间串连一段铜管( 最好是螺旋形的)。铜管下用火焰加热,以提高蒸气的温度。烧瓶再用油浴保温。也可用图2.16所示的装置来进行。其中A是为了除去蒸气中冷凝下来的液滴;B处是用几层石棉纸裹住的硬质玻管,下面用鱼尾灯焰加热;C是温度计套管,内插温度计;烧瓶外用油浴或空气浴维持和蒸气一样的温度。

2.16  过热水蒸气蒸馏装置

少量物质的水蒸气蒸馏,可用克氏蒸馏瓶代替圆底烧瓶,装置如图2.17所示。有时也可直接利用进行反应的三颈瓶来代替圆底烧瓶,装置如图2.18所示。

2.17  用克氏蒸馏瓶进行少量物质的水蒸气蒸馏

2.18  用三颈瓶来代替圆底烧瓶的水蒸气蒸馏

2水蒸气蒸馏操作要点

①蒸馏瓶可选用圆底烧瓶,也可用三口瓶。为了防止瓶中液体因跳溅而冲入冷凝管内,故将烧瓶的位置向发生器的方向倾斜45℃。瓶内液体不宜超过其容积的1/3。将混合液加入蒸馏瓶后,打开冷阱上的螺旋夹。开始加热水蒸气发生器,使水沸腾。当有蒸气从冷阱下面喷出时,将螺旋夹拧紧,使蒸气进入蒸馏系统。调节进气量,保证蒸气在冷凝管中全部冷凝下来。

②在蒸馏过程中,若在插入水蒸气发生器中的玻璃管内,蒸气突然上升至几乎喷出时,说明蒸馏系统内压增高,可能系统内发生堵塞。应立刻打开螺旋夹,移走热源,停止蒸馏,待故障排除后方可继续蒸馏。当蒸馏瓶内的压力大于水蒸气发生器内的压力时,将发生液体倒吸现象,此时,应打开螺旋夹或对蒸馏瓶进行保温,加快蒸馏速度。

③当流出液不再浑浊时,用表面皿取少量流出液,在日光或灯光下观察是否有油状物质,如果没有,可停止蒸馏。

④停止蒸馏时先打开冷阱上的螺旋夹,移走热源,待稍冷却后,将水蒸气发生器与蒸馏系统断开。收集馏出物或残液(有时残液是产物),最后拆除仪器。

 

实验五  水蒸气蒸馏

 

一、实验目的

  1. 掌握水蒸气蒸馏的基本原理和仪器装置;
  2. 熟悉水蒸气蒸馏的操作技术及应用范围。

二、仪器和试剂

仪器:见图1.10。

试剂:粗苯甲酸乙酯或粗苯胺;无水氯化钙。

三、实验步骤

在125mL磨口烧瓶中加入10mL粗苯甲酸乙酯,按图1.10安装水蒸气蒸馏装置,将馏出液倒入分液漏斗中静止,待分层后,分出油层置于小三角瓶中,加适量干燥剂无水氯化钙,振荡直至透明,滤去干燥剂,称量或量取苯甲酸乙酯的体积。经减压蒸馏可得到纯度更高的苯甲酸乙酯。

本实验约需4h。

四、注释

(1)水蒸气发生器中的水不能太满,否则沸腾时水将会冲入烧瓶中去。

(2)分液漏斗使用前首先检查分液漏斗的塞子和活塞是否紧密配套,如果配套不漏水,擦干活塞,在活塞孔的上下方分别涂上少量凡士林。分液漏斗分液时应注意,下层液体从分液漏斗下面放出,上层从上口倒出。分出下层液体时一定要先打开上面塞子。

(3)蒸馏时,因异常原因造成系统堵塞会导致水蒸气发生器中压力升高,水从安全管中溢出或水位急剧上升,此时应立即打开T形管上螺旋夹,使系统放空,停止加热,查找原因排除故障。

五、思考题

  1. 水蒸气蒸馏的基本原理是什么?有何实用意义?
  2. 如何判断水蒸气蒸馏的终点?
  3. 停止水蒸气蒸馏时,在操作顺序上应注意些什么?
  4. 用水蒸气蒸馏进行分离时,被分离的混合物应具备什么条件?

 

2.8  重结晶

2.8.1  基本原理

从实验室制备或自然界得到的固体化合物往往是不纯的,重结晶是提纯固体化合物常用的方法之一。

大多数固体化合物在溶剂中的溶解度随温度的升高而增大,当被提纯物的热饱和溶液在冷却时,溶质就会以晶体析出。不同物质在同一溶剂中的溶解度是不同的。如果杂质的溶解度极小,则配成热饱和溶液后可以通过热过滤除去;若杂质的溶解度较大,则重结晶后杂质留在母液中,都能达到纯化的目的。重结晶一般只适用于杂质含量小于5%的固体物质的提纯。

2.8.2  溶剂的选择

在进行重结晶时,选择理想的溶剂是一个关键,理想的溶剂必须具备以下条件:

(1)不与被提纯物质起化学反应。

(2)较高温度时能溶解多量的被提纯物质,而在室温或更低温度时被提纯物溶解度较小。

(3)对杂质的溶解度非常大或非常小(前一种情况是使杂质留在母液中,不随被提纯物一同析出;后一种情况是使杂质在热过滤时被滤去) 。

(4) 容易挥发(溶剂的沸点较低),易结晶分离除去。

(5) 能给出较好的结晶。

(6) 无毒或毒性很小,便于操作。

常用的重结晶溶剂见表2.5,选择溶剂时可查阅化学手册或文献资料中的溶解度,根据“相似相溶”原理选择。如手头没有充足的资料可用实验方法来确定。

2.常用的重结晶溶剂

溶  剂 沸  点/℃ 冰  点/℃ 相 对 密 度 与 水 的 混 溶 性 可燃性
100 0 1.0 —— 不燃
95%乙醇 78.1 <0 0.804 + 易燃
丙酮 56.2 <0 0.79 + 易燃
石油醚 30~60 <0 0.64 易燃
乙醚 34.51 <0 0.71 易燃
乙酸乙酯 77.06 <0 0.90 易燃
甲醇 64.96 <0 0.791 420 + 易燃
冰醋酸 117.9 16.7 1.05 + 易燃
环己烷 80.7 6.5 0.778 520 易燃
氯仿 61.7 <0 1.48 不燃
四氯化碳 76.8 <0 1.59 不燃

 

选择溶剂的具体实验方法:

取0.1g结晶固体于试管中,用滴管逐滴加入溶剂,并不断振荡,待加入溶剂约为1mL时,注意观察是否溶解。若完全溶解或间接加热至沸完全溶解,但冷却后无结晶析出,表明该溶剂是不适用的;若此物质完全溶于1mL 沸腾的溶剂中,冷却后析出大量的结晶,则这种溶剂一般认为是合适的;如果试样不溶于或未完全溶于1mL沸腾的溶剂中,则可逐步添加溶剂,每次约加0.5mL,并继续加热至沸,当溶剂的总量达4mL, 加热后样品仍未全溶,表明此溶剂也不适用;若该物质能溶于4mL 以内热溶剂中,冷却后仍无结晶析出,必要时可用玻璃棒摩擦试管内壁或用冷水冷却,促使结晶析出,若晶体仍不能析出,则此溶剂也是不适用的。

当难选出一种合适溶剂时,常使用混合溶剂。混合溶剂一般由两种彼此可互溶的溶剂组成,其中一种对待提纯物质溶解度较大,另一种则较小。混合溶剂的适当比例,可以这样配制: 将混合物溶解于适当的易溶溶剂中,趁热过滤以除去不溶性杂质, 然后逐渐加入热的难溶溶剂至浑浊后再加热澄清。最后,即使加热溶液仍呈浑浊状,这时再加很少量易溶溶剂,使其刚好变透明为止。将此热溶液慢慢冷却即有结晶析出。

 

 

表2.6  重结晶常用的混合溶剂

水—甲醇 甲醇—水 石油醚—苯
水—丙醇 甲醇—乙醚 石油醚—丙酮
水—乙酸 甲醇—二氯甲烷 氯仿—醚
乙醚—丙酮 氯仿—醇 苯—无水乙醇

 

2.8.3  重结晶的操作

(1)配制热饱和溶液

选好溶剂后即可进行较大量产品的重结晶。配制热饱和溶液时应根据所用溶剂的沸点及可燃性选择合适的热源。用水作溶剂时,可在烧杯或锥形瓶中进行重结晶;而用有机溶剂时,则必须用锥形瓶或圆底烧瓶作容器,同时,还须安装回流冷凝管,防止溶剂挥发造成火灾。溶解产品时先加入比计算量少的溶剂,加热沸腾一段时间后,从冷凝管的上口分次加入溶剂,并使溶液保持沸腾,注意观察样品溶解情况,直至样品完全溶解。此时再使其过量约20%,以补偿热过滤时因温度的降低和溶剂的挥发,结晶在滤纸上析出而造成的损失。

(2)活性炭脱色及热过滤

当重结晶的样品带有颜色时可加入适量活性炭脱色。活性炭的脱色效果和溶液的极性、杂质的多少有关,活性炭在水溶液及极性有机溶剂中脱色效果较好,而在非极性溶剂中效果则不太显著。活性炭的用量一般为样品的1%~5%左右。加入量过多会吸附部分产品,过少则 达不到理想的脱色效果。加入活性炭时应在饱和溶液稍冷后加入,以免暴沸使溶液冲出。加入活性炭后摇匀,使其均匀分布在溶液中,然后加热微沸5~10分钟,趁热过滤除去活性炭和不溶性杂质。热过滤时,既要滤除活性炭和不溶性杂质,又要避免溶液冷却而在滤纸和漏斗中析出结晶,因此,热过滤时动作要迅速,尽量不使溶液降温。热过滤的方法有两种,即常压和减压热过滤。常用布氏漏斗或砂芯漏斗进行减压抽滤,装置图见图2.19(a),布氏漏斗的下端斜口应对准抽滤瓶的侧口。滤纸要比布氏漏斗的内径略小,但必须将漏斗的小孔完全覆盖。抽滤前应先将布氏漏斗预热,并用少量溶剂润湿滤纸。待滤纸紧贴后迅速倒入热的待过滤液,并用极少量热溶剂洗涤锥形瓶及活性炭等。常压热过滤是用热水漏斗,见图2.19(b),装上水后,铺上折叠滤纸[折法见图2.19(c)],然后用酒精灯在支管处加热,待温度达到要求后,即趁热过滤。

(a)               (b)                          (c)

2.19  热过滤装置

(3)结晶的析出

将上述热抽滤液及洗涤液合并后静置,自然冷却,结晶慢慢析出。结晶的大小与冷却的温度有关。一般迅速冷却并搅拌,往往得到细小的晶体,表面积大,表面吸附杂质较多。如将热滤液慢慢冷却,析出的结晶较大,但往往有母液和杂质包在结晶内部。因此要得到纯度高、结晶好的产品,还需要摸索冷却的过程,但一般只要让热溶液静置冷却至室温即可。如果放冷后也无结晶析出,可用玻璃棒在液面下摩擦器壁或投入该化合物的结晶作为晶种,促使晶体较快地析出;也可将过饱和溶液放入冰箱内促使结晶析出。

(4)结晶的收集和干燥

为了把结晶从母液中分离出来,一般采用布氏漏斗进行抽气过滤。布氏漏斗里的晶体应用同一溶剂进行洗涤。用量应尽量少,以减少产品的溶解损失。如重结晶溶剂的沸点较高,在用原溶剂至少洗涤一次后, 可用低沸点的溶剂洗涤,使最后的结晶产物易于干燥。

抽滤和洗涤后的结晶,表面上还吸附有少量的溶剂,因此需用适当的方法进行干燥。重结晶后的产物需要通过测定熔点来检验其纯度,在测定熔点前,晶体必须充分干燥,否则熔点会下降。固体的干燥方法很多,可根据重结晶所用的溶剂及结晶的性质来选择。

 

实验六  重结晶法纯化粗乙酰苯胺

 

一、实验目的

  1. 学习重结晶法纯化固体有机化合物的原理;
  2. 掌握重结晶的操作技术及应用范围。

二、仪器和试剂

仪器:热水漏斗;布氏漏斗;吸滤瓶;水泵。

试剂:粗乙酰苯胺。

三、实验步骤

称量由实验十七制得的粗乙酰苯胺,放入200mL烧杯中,按1∶12(1)的比例加入适量的水,加热煮沸使乙酰苯胺完全溶解(2)。移开火源,稍冷,加入少许活性炭(约0.3g)(3),再煮沸2~3分钟。趁热用热水漏斗和折叠滤纸过滤,滤液收集在另一只洁净的200mL烧杯中。待溶液充分冷却后,抽滤,用冷水洗涤布氏漏斗中结晶物两次,每次都要尽量滤干溶剂。取出结晶,放在表面皿,置于鼓风干燥箱中烘干、称重、计算产率。

本实验约需2.5h。

四、注释

(1) 乙酰苯胺在水中的溶解度与温度的关系:

温  度/℃ 20 50 80 100
溶 解 度/g/100mLH2O 0.46 0.84 3.45 5.55

(2)溶解过程中有时会出现油珠状物,此物不是杂质。乙酰苯胺的熔点为114℃,但用水重结晶时,往往由于形成水化物而在83℃左右熔融成液体,呈油珠状物。此时应继续加入过量溶剂直至完全溶解。

(3)活性炭具有很强的吸附能力,可以吸附有色物质,使用时应注意以下几点:

a.根据杂质颜色深浅确定用量,多用时因其吸附被提纯物而造成损失,若用量不足时,脱色效果达不到要求,需要重复脱色操作;

b.不能向正在沸腾的溶液中加入活性炭以免溶液爆沸溅出;

c.活性炭对水溶液脱色效果较好,对非极性溶液脱色效果较差。

五、思考题

  1. 重结晶法提纯固体有机化合物有哪些主要步骤?简单说明每步的目的。
  2. 重结晶所用的溶剂为什么不能太多,也不能太少?如何正确控制溶剂量?
  3. 在活性炭脱色热过滤时,若发现母液中有少量活性炭,试分析可能由哪些原因引起的?应如何处理?
  4. 抽滤时滤纸大于布氏漏斗底有什么不妥?

2.9  萃取

从固体或液体混合物中分离所需的有机化合物,最常用的操作是萃取。萃取广泛用于有机产品的纯化,应用萃取可从固体或液体混合物中萃取出所需要的物质。如天然产物中各种生物碱、脂肪、蛋白质、芳香油和中草药的有效成分等都可用萃取的方法从动植物中获得。也可以用于除去产物中的少量杂质,通常称前者为“萃取”或 “提取”、“抽取”,后者为“洗涤”。洗涤也是一种萃取。根据被萃取物质形态的不同,萃取又可分为从溶液中萃取 (液-液萃取)和从固体中萃取(固-液萃取)两种萃取方法。

2.9.1  基本原理

萃取是利用有机化合物在两种不互溶 (或微溶) 的溶剂中的溶解度或分配比不同而得到分离。可用与水不互溶的有机溶剂从水溶液中萃取有机化合物来说明。在一定温度下,有机物在有机相中和在水相中浓度比为一常数。若c0表示有机物在有机相中的浓度(g/mL), c1表示有机物在水中的浓度(g/mL)。温度一定时,cO/c1=k k是一常数,称为“分配系数”。它可以被近似地认为是有机物在两溶剂中的溶解度之比。由于有机物在有机溶剂中溶解度比在水中大,因而可以用有机溶剂将有机物从水中萃取出来。

用一定量的溶剂一次或分几次从水中萃取有机物,并比较其萃取效率。设sO 为水溶液的毫升数;s为每次所用萃取剂的毫升数,x0为溶解于水中的有机物的克数;x1,…, xn 分别为萃取一次至n次后留在水中的有机物克数;k为分配系数。根据k的定义,进行以下推导:

一次萃取

二次萃取

n 次萃取

式<1,且当n值愈大时,xn则愈小,说明当用同样多的溶剂分多次萃取比一次萃取的效果要好。这一点十分重要,它是提高分离效率的有效途径。根据分配定律,既可求出每次提取出的物质的数量,也可算出经萃取后的剩余量。

另一类萃取剂的萃取原理是利用它能与被萃取物质起化学反应。这种萃取常用于从化合物中移去少量杂质或分离混合物,这类萃取剂一般是5% 氢氧化钠、5%或10%的碳酸钠、碳酸氢钠溶液、稀盐酸、稀硫酸等。碱性萃取剂可以从有机相中移出有机酸,或从有机溶剂(其中溶有有机物)中除去酸性杂质(成钠盐溶于水中),这被称为“洗涤”;反之,酸性萃取剂可从混合物中萃取碱性物质(杂质)等。

固体物质的萃取通常借助于索氏(Soxhlet)提取器,是利用溶剂回流及虹吸原理,使固体有机物连续多次被纯溶剂萃取,它具有萃取效率较高节省溶剂等的特点。对受热易分解或变色的物质不宜采用,同时所用溶剂沸点也不宜过高。

用萃取方法处理固体混合物时,主要根据混合物中各组分在所选溶剂中的溶解度。从液体混合物中萃取物质的情况比较复杂,必须考虑被萃取物在两种不相溶的溶剂内的分配及其分配系数。分配系数是在一定条件下(温度等)被提取物在两液相内达到完全平衡后的浓度关系,其大小约等于该物质在两溶剂内的溶解度之比。在一定温度下,若该物质的分子在两溶液中不发生缔合、溶剂化、溶质的电离等作用时,则此物质在两液层内浓度之比是一定值k, 而实验上常见分配系数k由于上述现象而有偏差。

2.9.2  萃取溶剂的选择

(1)选择合适萃取溶剂的原则

一般从水中萃取有机物,要求溶剂在水中溶解度很小或几乎不溶;被萃取物在溶剂中要比在水中溶解度大;对杂质溶解度要小;溶剂与水和被萃取物都不反应;萃取后溶剂应易于用常压蒸馏回收。此外,价格便宜、操作方便、毒性小、溶剂沸点不宜过高,化学稳定性好、密度适当也是应考虑的条件。一般地讲, 难溶于水的物质用石油醚提取;较易溶于水的物质,用乙醚或苯萃取;易溶于水的物质则用乙酸乙酯萃取效果较好。

(2)经常使用的溶剂

有乙醚、苯、四氯化碳、氯仿、石油醚、二氯甲烷、二氯乙烷、正丁醇、醋酸酯等,其中乙醚效果较好。使用乙醚的最大缺点是容易着火,在实验室中可以小量使用,但在工业生产中不宜使用。

(3)操作方法

萃取的主要仪器是分液漏斗(图2.20)。使用前须在下部活塞上涂凡士林,然后,于漏斗中放入水摇荡, 检查两个塞子处是否漏水。确实不漏时再使用。


2.20  使用分液漏斗萃取

 

2.21 摇动分液漏斗的正确持法

将水溶液倒入分液漏斗中,加入溶剂,塞紧塞子,右手握住漏斗口颈,食指压紧漏斗塞,左手握在漏斗活塞处,拇指压紧活塞,把漏斗放平摇荡,见图2.21,然后,把漏斗上口向下倾斜,下部支管指向斜上方,但要注意不要指向其他实验者。左手仍握在活塞支管处,食拇两指开动活塞放气,见图 2.22,经几次摇荡、放气后把漏斗架在铁圈上并把上口塞子上的小槽对准漏斗口颈上的通气孔。待液体分层后,将两层液体分开。下层液体由下部支管放出,上层液体应由上口倒出。应注意哪一层为有机溶液,将它存放在干燥的锥形瓶中,水溶液再倒回分液漏斗中,留待再一次萃取。如分不清哪一层是有机溶液,可取少量任何一层液体,于其中加水试,如加水后分层,即为有机相;不分层,说明是水相。在实验结束前,均不要把萃取后的水溶液倒掉,以免一旦搞错无法挽救! 有时溶液中溶有有机物后,密度会改变,不要以为密度小的溶剂在萃取时一定在上层。

图2.22  分液漏斗放气的正确方法

用乙醚萃取时,应特别注意周围不要有明火。摇荡时,用力要小,时间短,应多摇多放气,否则,漏斗中蒸气压力过大,液体会冲出造成事故。

用分液漏斗进行萃取,应选择比被萃取液大1~2倍体积的分液漏斗。初学者往往忽略估计溶液和溶剂的体积,将分液漏斗中的溶液和溶剂装得很满,振摇时不能使溶剂和溶液分散为小的液滴,被萃取物质不能与两溶液充分接触,影响了该物质在两溶液中的分配,降低了萃取效率。

在萃取某些含有碱性或表面活性较强的物质时(如蛋白质、长链脂肪酸等),易出现经摇振后溶液乳化,不能分层或不能很快分层的现象。原因可能由于两相分界之间存在少量轻质的不溶物;也可能两液相交界处的表面张力小;或由于两液相密度相差太少。碱性溶液 (例如氢氧化钠等)能稳定乳状质的絮状物而使分层更困难,这种情况下可采取如下措施①采取长时间静置;②利用“盐析效应”,在水溶液中先加入一定量电解质(如氯化钠),或加饱和食盐水溶液,以提高水相的密度,同时又可以减少有机物在水相中的溶解度;③滴加数滴醇类化合物,改变表面张力;④加热,破坏乳状液(注意防止易燃溶剂着火);⑤过滤,除去少量轻质固体物(必要时可加入少量吸附剂,滤除絮状固体)。如若在萃取含有表面活性剂的溶液时形成乳状溶液,当实验条件允许时,可小心地改变pH,使之分层。当遇到某些有机碱或弱酸的盐类,因在水溶液中能发生一定程度解离,很易被有机溶剂萃取出水相,为此,在溶液中要加入过量的酸或碱,以达到顺利萃取之目的。

2.10  升华

升华是固体化合物提纯的又一种手段。由于不是所有固体都具有升华性质,因此,它只适用于以下情况:一是被提纯的固体化合物具有较高的蒸气压,在低于熔点时,就可以产生足够的蒸气,使固体不经过熔融状态直接变为气体,从而达到分离的目的;二是固体化合物中杂质的蒸气压较低,有利于分离。

升华的操作比重结晶要简便,纯化后产品的纯度较高。但是产品损失较大,时间较长,不适合大量产品的提纯。

2.10.1  基本原理

升华是利用固体混合物的蒸气压或挥发度不同,将不纯净的固体化合物在熔点温度以下加热,利用产物蒸气压高,杂质蒸气压低的特点,使产物不经液化过程而直接气化,遇冷后固化,而杂质则不发生这个过程,达到分离固体混合物的目的。

一般来说,具有对称结构的非极性化合物,其电子云密度分布比较均匀,偶极矩较小,晶体内部静电引力小。因此,这种固体都具有蒸气压高的性质。为进一步说明问题,我们来考察图2.23所示的某物质的三相平衡图。图中的三条曲线将图分为三个区域,每个区域代表物质的一相。由曲线上的点可读出两相平衡时的蒸气压。例如:GS 表示固相与气相平衡时固体的蒸气压曲线;SY 表示液相与气相平衡时液体的蒸气压曲线;SV 表示固相与液相平衡时的温度与压力关系曲线。S 为三线的交点,也是物质的三相平衡点,在此状态下物质的气、液、固三相共存。由于不同物质具有不同的液态与固态处于平衡时的温度与压力,因此,不同的化合物三相点是不相同的。从图中我们可以看出,在三相点以下,物质处于气、固两相的状态, 因此,升华都在三相点温度以下进行,即在固体的熔点以下进行。固体的熔点可以近似地看作是物质的三相点。

与液体化合物的沸点相似,当固体化合物的蒸气压等于外界所施加给固体化合物表面压力时,该固体化合物开始升华,此时的温度为该固体化合物的升华点。在常压下不易升华的物质,可利用减压进行升华。

2.23  三相平衡图

 

2.10.2  基本操作

1常压升华

常用的常压升华装置如图2.24所示。图中(a)是实验室常用的常压升华装置。将被升华的固体化合物烘干, 放入蒸发皿中,铺匀。取一大小合适的锥形漏斗,将颈口处用少量棉花堵住,以免蒸气外逸,造成产品损失。选一张略大于漏斗底口的滤纸,在滤纸上扎一些小孔后盖在蒸发皿上,用漏斗盖住。将蒸发皿放在砂浴上,用电炉或煤气灯加热,在加热过程中应注意控制温度在熔点以下,慢慢升华。当蒸气开始通过滤纸上升至漏斗中时,可以看到滤纸和漏斗壁上有晶体出现。如晶体不能及时析出,可在漏斗外面用湿布冷却。

当升华量较大时,可用装置(b)在烧杯中分批进行升华。烧杯上放置一个通冷水的圆底烧瓶,使蒸气在烧瓶底部凝结成晶体并附着在瓶底。

当需要通入空气或惰性气体进行升华时,可用装置(c),在锥形瓶上配有双孔塞,一孔插人玻管以导入空气或惰性气体;另一孔插入接液管,接液管的另一端伸入圆底烧瓶内,烧瓶口塞一些棉花或玻璃毛。当物质开始升华时,通入空气或惰性气体,带出的升华物质,遇到冷水冷却就凝结在烧瓶壁上。

2.24  常压升华装置

2)减压升华

减压升华的装置如图2.25所示。将样品放入吸滤管(或瓶)中,在吸滤管中放入“指形冷凝管”,用橡皮塞塞紧,利用水泵或油泵进行抽气,接通冷凝水,将此装置放入电热套或水浴中加热,使固体在一定压力下升华。冷凝后的固体将凝聚在“指形冷凝管”的底部。

2.25  减压升华装置

注:

(1)升华温度一定要控制在固体化合物熔点以下。

(2)被升华的固体化合物一定要干燥,如有溶剂将会影响升华后固体的凝结。

(3)滤纸上的孔应尽量大一些,以便蒸气上升时顺利通过滤纸,在滤纸的上面和漏斗中结晶,否则将会影响晶体的析出。

(4)减压升华停止抽滤时,一定要先打开安全瓶上的放空阀,再关泵,否则循环泵内的水会倒吸进入吸滤管中,造成实验失败。

2.11  柱色谱分离法

色谱法是分离、纯化和鉴定有机化合物的重要方法之一,具有极其广泛的用途。

色谱法的基本原理是利用混合物中各组分在某一物质中的吸附或溶解性能(即分配)的不同,或其他亲和作用性能的差异,使混合物的溶液流经该物质时,进行反复的吸附或分配等作用,从而使各组分分开。流动的混合物溶液称为流动相;固定物质称为固定相(可以是固体或液体)。

按混合组分对固定相和流动相的作用方式不同即分离原理不同,色谱可分为吸附色谱、分配色谱、离子交换色谱、排阻色谱等。根据操作条件的差异又可分为柱色谱、薄层色谱、纸色谱和高效液相色谱等。

柱色谱是将固定相填装在玻璃柱中进行分离的一种色谱方法。常用的有吸附色谱和分配色谱两种。固定相以氧化铝或硅胶作为吸附剂的为吸附色谱;以硅藻土或纤维素作为支持剂,支持剂中吸附的大量液体作为固定相的为分配色谱。实验室中最常用的是吸附色谱。

2.11.1  分离原理

为了进一步理解色谱原理,我们对柱色谱的分离过程作一简单介绍。将已溶解的样品从柱顶加入到已装好的色谱柱中,然后用洗脱剂(流动相)进行淋洗。样品中各组分在吸附剂(固定相)上的吸附能力不同,一般来说,极性大的吸附能力强,极性小的吸附能力相对弱一些。当用洗脱剂淋洗时,各组分在洗脱剂中的溶解度也不一样,因此,被解吸的能力也就不同。根据“相似相溶”原理,极性化合物易溶于极性洗脱剂中,非极性化合物易溶于非极性洗脱剂中。一般是先用非极性洗脱剂进行淋洗。当样品加入后,无论是极性组分还是非极性组分均被固定相吸附(其作用力为范德华力),当加入洗脱剂后,非极性组分由于在固定相(吸附剂)中吸附能力弱,而在流动相(洗脱剂)中溶解度大,首先被解吸出来,被解吸出来的非极性组分随着流动相向下移动与新的吸附剂接触再次被固定相吸附。随着洗脱剂向下流动,被吸附的非极性组分再次与新的洗脱剂接触,并再次被解吸出来随着流动相向下流动。而极性组分由于吸附能力强,且在洗脱剂中溶解度又小,因此不易被解吸出来,这样经过一定次数的吸附和解吸后,各组分在色谱柱中形成了一段一段的色带,随着洗脱过程的进行,每个色带的溶液从柱底端流出口每一段色带代表一个组分,分别收集不同的色带,再将洗脱剂蒸发,就可以获得单一的纯净物质。图2.26给出了柱色谱分离过程。

2.26  柱色谱分离过程

2.11.2  吸附剂和洗脱剂

1吸附剂

选择合适的吸附剂作为固定相对于柱色谱来说是非常重要的。常用的吸附剂有硅胶、氧化铝、氧化镁、碳酸钙和活性炭等。实验室一般使用氧化铝或硅胶,在这两种吸附剂中氧化铝的极性更大一些,它是一种高活性和强吸附的极性物质。通常市售的氧化铝分为中性、酸性和碱性三种。酸性氧化铝适用于分离酸性有机物质;碱性氧化铝适用于分离碱性有机物质,如生物碱和烃类化合物;中性氧化铝应用最为广泛,适用于中性物质的分离,如醛、酮、酯、醌等类有机物质。市售的硅胶略带酸性。

由于样品被吸附到吸附剂表面上,因此颗粒大小均匀,比表面积大的吸附剂分离效率佳。比表面积越大,组分在流动相和固定相之间达到平衡就越快,色带就越窄。通常使用的吸附剂颗粒大小以100目至150 目为宜。

吸附剂的活性取决于吸附剂的含水量,含水量越高,活性越低,吸附剂的吸附能力越弱,反之则吸附能力强。吸附剂的含水量和活性等级关系见表2.7所示。

2.吸附剂的含水量和活性等级关系

活 性 等 级
氧化铝含水量(%) 0 3 6 10 15
硅胶含水量(%) 0 5 15 25 38

 

(2)洗脱剂

在柱色谱分离中,洗脱剂的选择也是一个重要的因素。一般洗脱剂的选择与薄层色谱中展开剂选择相类似,即极性化合物选择极性洗脱剂,非极性化合物选择非极性洗脱剂。使用的洗脱剂必须保证将样品中各组分完全分开。有时单纯一种洗脱剂达不到要求的分离效果,可考虑选用混合洗脱剂。

选择洗脱剂的另一个原则是:洗脱剂的极性不能大于样品中各组分的极性,否则会由于洗脱剂在固定相上被吸附,迫使样品一直保留在流动相中。在这种情况下,组分在柱中移动得非常快,很少有机会建立起分离所要达到的化学平衡,影响分离效果。

另外,所选择的洗脱剂必须能够将样品中各组分溶解,但不能同组分竞争与固定相的吸附。如果被分离的样品不溶于洗脱剂,那么各组分可能会牢固地吸附在固定相上,而不随流动相移动或移动很慢。

不同的洗脱剂使给定的样品沿着固定相的相对移动能力,称为洗脱能力。一般来说,在反相色谱中,洗脱能力按以下顺序排列,在正相色谱中的洗脱能力刚好与之相反。

 

 

 

甲醇

乙醇

1-丙醇

丙酮

乙酸乙酯

乙醚

氯仿

二氯甲烷

甲苯

环己烷

己烷

石油醚

 

2.11.3  基本操作

1柱色谱装置

色谱柱是一根带有下旋塞和砂芯的玻璃管,如图2.27所示。

2柱色谱操作要点

①装柱

装柱前应先将色谱柱洗干净,且烘干。装柱分为湿法装柱和干法装柱两种,下面分别加以介绍。

a.湿法装柱  将吸附剂(氧化铝或硅胶)用洗脱剂中极性最低的洗脱剂调成糊状,在柱内先加入约3/4 柱高的洗脱剂,再将调好的吸附剂边敲打边倒入柱中,同时,打开下旋活塞,在色谱柱下面放一个干净并且干燥的锥形瓶或烧杯,接收洗脱剂。当装入的吸附剂有一定高度时,洗脱剂下流速度变慢,待所用吸附剂全部装完后,用流下来的洗脱剂转移残留的吸附剂,并将柱内壁残留的吸附剂淋洗下来。在此过程中,应不断敲打色谱柱,以使色谱柱填充均匀并没有气泡。柱子填充完后,在吸附剂上端覆盖一层约0.5cm 厚的石英砂。覆盖石英砂的目的是:a)使样品均匀地流入吸附剂表面;b)当加入洗脱剂时,它可以防止吸附剂表面被破坏。在整个装柱过程中,柱内洗脱剂的高度始终不能低于吸附剂最上端,否则柱内会出现裂痕和气泡。

2.27  柱色谱装置

b.干法装柱  在色谱柱上端放一个干燥的漏斗,将吸附剂倒入漏斗中,使其成为一细流连续不断地装入柱中,并轻轻敲打色谱柱,使其填充均匀,再覆盖一层约0.5cm的石英砂,用洗脱剂预淋。

②样品的加入及组分洗脱

液体样品可以直接加入到色谱柱中,如浓度低,则可浓缩后再进行分离。固体样品应先用最少量的溶剂溶解后再加入到柱中。在加入样品时,应先将柱内洗脱剂排至稍低于石英砂表面后停止排液,用滴管沿柱内壁把样品一次加完。在加入样品时,应注意滴管尽量向下靠近石英砂表面。样品加完后,打开下旋活塞,使液体样品进入石英砂层后,再加入少量的洗脱剂将壁上的样品洗下来,待这部分液体进入石英砂层后,再加入洗脱剂进行淋洗,直至所有色带被展开。

色谱带的展开过程也就是样品的分离过程。在此过程中应注意:

a.洗脱剂应连续平稳地加入,不能中断。样品量少时,可用滴管加入。样品量大时,用滴液漏斗作储存洗脱剂的容器,控制好滴加速度,可得到更好的效果。

b.在洗脱过程中,应先使用极性最小的洗脱剂淋洗,然后逐渐加大洗脱剂的极性,使洗脱剂的极性在柱中形成梯度,以形成不同的色带环。也可以分步进行淋洗,即将极性小的组分分离出来后,再改变极性分出极性较大的组分。

c.在洗脱过程中,样品在柱内的下移速度不能太快,但是也不能太慢(甚至过夜),因为吸附剂表面活性较大,时间太长会造成某些成分被破坏,使色谱带扩散,影响分离效果。通常流出速度为每分钟 5~10 滴,若洗脱剂下移速度太慢,可适当加压或用水泵减压。

d.当色谱带出现拖尾时,可适当提高洗脱剂极性。

③样品中各组分的收集

当样品中各组分带有颜色时,可根据不同的色带用锥形瓶分别进行收集,然后分别将洗脱剂蒸除得到纯组分。但是大多数有机物质是无色的,可采用等分收集的方法,即将收集瓶编好号,根据使用吸附剂的量和样品分离情况来进行收集,一般用5Og吸附剂,每份洗脱剂的收集体积约为50mL。如果洗脱剂的极性增加或样品中组分的结构相近时,每份收集量应适当减小。将每份收集液浓缩后,以残留在烧瓶中物质的质量为纵坐标,收集瓶的编号为横坐标绘制曲线图,来确定样品中的组分数。还可以在吸附剂中加入磷光体指示剂,用紫外线照射来确定。一般用薄层色谱进行监控是最为有效的方法(具体方法见 2.12节)。

 

实验七  柱色谱法分离甲基橙和亚甲基蓝

 

一、实验目的

  1. 了解柱色谱的原理,掌握柱色谱法的操作步骤;
  2. 熟悉仪器装置的应用。

二、仪器和试剂

仪器:层析柱。

试剂:层析用氧化铝,甲基橙,亚甲基蓝,95%乙醇。

三、实验步骤

称取4~5g层析用氧化铝(100目~200目),干法装柱,用木块轻轻敲击装实,氧化铝顶部盖一层约5mm石英砂,开启活塞,用95%乙醇预淋使氧化铝全部润湿。滴加4~5滴混合指示剂,先加5mL95%乙醇洗脱,当亚甲基蓝深色谱带已过固定相界面时,再加约15mL95%乙醇继续洗脱,控制流出液的速度为1~2滴/秒,使亚甲基蓝全部从柱子上洗脱下来。待洗出液为无色时,换水作洗脱剂,这时甲基橙随水向柱子下端移动,另用容器收集,洗至固定相呈无色为止,观察两个接受液的颜色。

本实验约需1.5h。

四、注释

(1)加入石英砂的目的是使加料时不致把吸附剂冲起,影响分离效果。若无石英砂,也可用玻璃毛。

(2)为了保持柱子的均一性,使整个吸附剂浸泡在溶剂或溶液中是必要的。否则当柱中溶剂或溶液流干时,就会使柱身干裂,影响渗滤和显色的效果。

五、思考题

  1. 装柱不均匀或者有气泡、裂缝,将会造成什么后果,为什么?
  2. 极性大的组分为什么要用极性大的洗脱剂?
  3. 使用氧化铝作为固定相,用极性溶剂为流动相,混合物中极性小的组分与极性大的组分哪一个先被洗脱?

 

2.12  薄层谱分离法

2.12.1  分离原理

薄层色谱(Thin Layer Chromatography,TLC),是一种微量、快速而简单的色谱法。常用来分离和鉴定混合物中的各组分,精制化合物,对有机合成反应进行监控,寻找柱色谱的最佳分离条件等。此法特别适用于挥发性较小或在较高温度易发生变化而不能用气相色谱分析的物质。

薄层色谱通常是在玻璃板上均匀铺上一薄层吸附剂,制成薄层板;用毛细管将样品溶液点在起点处;把此薄层板置于盛有溶剂的容器中;待溶液到达前沿后取出,晾干,喷以显色剂,测定色斑的位置。由于层析是在薄层板上进行,故称为薄层层析。

常用的薄层色谱有吸附色谱和分配色谱两类。吸附色谱常用的吸附剂是硅胶或氧化铝;分配色谱常用的支持剂有硅藻土和纤维素等。通常吸附薄层色谱使用较多。

在TLC中所用的吸附剂颗粒比柱色谱中用的要小得多,一般为200目以上。当颗粒太大时,表面积小,吸附量少,样品随展开剂移动速度快,斑点扩散较大,分离效果不好;当颗粒太小时,样品随展开剂移动速度慢,斑点不集中,效果也不好。

薄层层析用的硅胶有:硅胶 H(不含粘合剂);硅胶 G(Gypsum 的缩写)(含粘合剂煅石膏);硅胶 GF254(含有粘合剂和荧光剂,可在波长254nm 紫外光下发出荧光);硅胶 HF254 只含荧光剂。同样,氧化铝也分为氧化铝G、氧化铝 GF254及氧化铝 HF254。氧化铝的极性比硅胶大,宜用于分离极性小的化合物。

粘合剂除煅石膏外,还可用淀粉、聚乙烯醇和羧甲基纤维素钠(CMC)。使用时,一般配成百分之几的水溶液。如羧甲基纤维素钠的质量分数一般为 0.5% 左右。淀粉的质量分数为5%左右。加粘合剂的薄板称为硬板,不加粘合剂的薄板称为软板。

 

2.12.2  基本操作

1薄层板的制备

薄板的制备方法有两种,一种是干法制板,另一种是湿法制板。实验室最常用的是湿法制板。取 7g 硅胶G,加入 15~17mL0.5% 的羧甲基纤维素钠水溶液,调成糊状。将糊状硅胶均匀地倒在两块7cm×15cm的载玻片上,先用玻璃棒铺平,然后用手轻轻震动至平。大量铺板或铺较大板时,也可使用涂布器(如图2.28) 。

1一吸附剂薄层;2一涂布器;3 、 4一夹玻板;5一玻璃板 (7cm×15cm)

2.28  薄层涂布器

薄层板制备得好与坏直接影响色谱分离的效果,在制备过程中应注意:

①铺板时,尽可能将吸附剂铺均匀,不能有气泡或颗粒等。

②铺板时,吸附剂的厚度不能太厚也不能太薄,太厚展开时会出现拖尾,太薄样品则分不开,一般厚度为 0.5~1mm。

③湿板铺好后,应放在比较平的地方晾干,然后转移至试管架上慢慢地自然干燥,千万不要快速干燥,否则薄层板会出现裂痕。

(2)薄层板的活化

薄层板经过自然干燥后,再放入烘箱中活化,进一步除去水分。不同的吸附剂及配方, 需要不同的活化条件。例如:硅胶一般在烘箱中逐渐升温,在 105℃~110℃下,加热 30min;氧化铝在 200℃~220℃下烘干4h 可得到活性为Ⅱ级的薄层板,在 150℃~160℃下烘干 4h 可得到活性为Ⅲ~Ⅳ的薄层板。当分离某些易吸附的化合物时,可不用活化。

(3)点样

将样品用易挥发溶剂配成 1%~5% 的溶液。在距薄层板的一端约15mm 处,用铅笔轻轻地画一条横线作为点样时的起点线(划线时不能将薄层板表面破坏)。

用内径小于 1mm 的干净且干燥的毛细管吸取少量的样品,轻轻触及薄层板的起点线 (点样),然后立即抬起,待溶剂挥发后,再触及第二次。这样点3~5次即可,如果样品浓度低多点几次。若在同一块板上点几个样,两点之间的距离至少在1~1.5cm。点好样品的薄层待溶剂挥发后再放入展开缸中进行展开。

2.29  薄层板及薄层板的点样方法

4展开

在此过程中,选择合适的展开剂是至关重要的。一般展开剂的选择与柱色谱中洗脱剂的选择类似,即极性化合物选择极性展开剂,非极性化合物选择非极性展开剂。当一种展开剂不能将样品分离时,可选用混合展开剂。一般展开能力与溶剂的极性成正比。混合展开剂的选择请参考2.11节。常见溶剂在硅胶板上的展开能力如下:

 

戊烷、四氯化碳、苯、氯仿、二氯甲烷、乙醚、乙酸乙酯、丙酮、乙醇、甲醇

 

 

薄层板展开时,在展开缸中注入配好的展开剂,因为吸附剂对样品会发生无数次吸附、解析过程,所以展开前,应使展开槽内展开剂的蒸气达到饱和,将薄层板点有样品的一端放入展开剂中(注意展开剂液面的高度应低于点样点)。在展开过程中,样品斑点随着展开剂向上迁移,当展开剂前沿至薄层板上边的终点线时,立刻取出薄层板。将薄层板上分开的样品点用铅笔圈好,计算比移值。展开方式有下列几种:

①上升法  适用于含粘合剂的硬板,将色谱板垂直于盛有展开剂的容器中。

②倾斜上行法  色谱板倾斜150 角,适用于无粘合剂的软板;色谱板倾斜450~600角,适用于含粘合剂的硬板,如图2.30所示。

③下降法  展开剂放在圆底烧瓶中,用滤纸或纱布等将展开剂吸到薄层板的上端,使展开剂沿板下行,这种连续展开的方法适用于Rf值小的化合物的分离,如图2.31所示。

④双向展开法  使用方形玻璃板制板,将样品点在角上,向一个方向展开,然后转动900角,再换另一种展开剂展开。此法适用于成分复杂的混合物的分离。

(a)长方形盒式展开槽   (b)广口瓶式展开槽

2.30  倾斜上行法

1—溶剂;2—滤纸条;3—薄层板

2.31  下降法

(5)比移值Rf的计算

某种化合物在薄层板上上升的高度与展开剂上升高度的比值称为该化合物的比移值, 常用Rf来表示:

 

图2.32(b) 给出了某化合物的展开过程及Rf 值。对于一种化合物,当展开条件相同时,Rf 值是一个常数。因此,可用Rf 作为定性分析的依据。但是,由于影响Rf 值的因素较多,如展开剂、吸附剂、薄层板的厚度、温度等均能影响Rf 值,因此同一化合物的Rf 值与文献值会相差很大。在实验中我们常采用的方法是,在一块板上同时点一个已知物和一个未知物,进行展开,通过计算Rf值来确定是否为同一化合物。

6显色

样品展开后,如果本身带有颜色,可直接看到斑点的位置。但是,大多数有机化合物是无色的,因此,就存在显色的问题。常用的显色方法有:

①紫外灯显色  用硅胶 GF254制成的薄层板,由于加入了荧光剂,在254nm 波长的紫外灯下,可观察到暗色斑点,此斑点就是样品点。

②碘熏显色  在一密闭容器(碘缸)中放入一些碘,容器中充满碘的蒸气。将展开并晾干的薄层板放入碘缸,碘与大多数有机化合物(烃和卤代烃除外)会可逆地结合,在数秒钟内化合物的斑点呈黄色。取出薄层板用铅笔将点圈好,否则碘很快挥发,使呈现的颜色消失。

③喷洒显色剂  薄层板可用腐蚀性显色剂(如浓硫酸、浓盐酸、浓磷酸等)显色。另外根据化合物的特性,还可以采用一些试剂显色,如三氯化铁溶液、水合茚三酮溶液、磷钼酸溶液等。

2.32  Rf 的计算

实验八  绿色叶子色素的薄层分析

 

一、实验目的

  1. 掌握薄层色谱法的分离原理和仪器装置;
  2. 学习薄层色谱的操作技术和实际应用。

二、仪器和试剂

仪器:层析缸,电子天平,研钵,25mL量筒,玻璃板(7cm×15cm)。

试剂:硅胶G(180~200目),羧甲基纤维素钠(CMC),石油醚,甲苯,丙酮,95%乙醇。

三、实验步骤

  1. 薄层板的制备

具体操作见2.12.2。

  1. 样品的制备

取几片新鲜的绿色植物的叶子置于研钵中,加5mL丙酮与乙醇的混合液(1∶1,V/V),取上面的绿色清液作为分析用试样。

  1. 点样

在离薄层板一端约1.5cm处,用铅笔轻轻横划一条线,用毛细管吸取上述绿色清液轻轻地点在铅笔线上,点两个点,点的位置距玻璃板一边约1/3处,重复点样4~5次并吹干溶剂(色斑直径约为3mm左右)

  1. 展开

以甲苯、丙酮和石油醚的混合液(3∶3∶7,V/V)为展开剂,层析缸中的展开剂的量以液柱高度约0.5cm为宜。采用倾斜上行法展开,当展开剂前沿上升到离上端1.5~2cm处时,取出薄层板,立即用铅笔划下前沿线的位置,置于吸毒柜中,让展开剂自然挥发掉。

  1. 计算Rf

具体计算见2.12.2。如果分离情况良好,可看到由上至下的斑点为:卡黄素(橙黄)、叶绿素a(蓝绿色)、叶绿素b(黄绿色)、叶黄素(黄色)。

本实验约需2.5h。

四、注释

(1)调成的糊状物不能太稠以免摊开困难;也不能太稀造成随意流淌使薄层太薄。

(2)硅胶糊很容易凝胶化,结果会无法摊开成薄层,因此调浆应迅速,但也不宜用力搅拌以免形成过多过大的气泡,在薄层晾干时出现气孔。

(3)务必使摊好的薄层板自然晾干,否则烘干活化时将产生龟裂,使薄层板报废;同样,湿的薄层板也不能烘烤催干。

五、思考题

  1. 薄层层析中,展开剂和吸附剂应如何选择?
  2. 为什么样品斑点不能浸入到展开剂中?
  3. 由同样操作条件下进行的薄层色谱分离测定的一种有机物的Rf,为什么可以用于鉴别这种有机物?

 

实验九  镇痛药片APC组分的薄层法分离

 

普通的镇痛药如APC通常是几种药物的混合物,大多含有阿司匹林、非那西汀、咖啡因和其他组分,由于本身是无色的,需要通过紫外灯显色或碘熏显色,并与纯组分的Rf 比较来加以鉴定。

阿司匹林                非那西汀                     咖啡因

一、实验目的

同实验八。

二、仪器和试剂

仪器:层析缸,玻璃板(4cm×10cm)。

试剂: APC镇痛药片,硅胶GF254,1%阿司匹林的95%乙醇溶液,1%非那西汀的95%乙醇溶液,1%咖啡因的95%乙醇溶液,95%乙醇,无水乙醚,二氯甲烷,冰醋酸。

三、实验步骤

1.薄层板的制备

取10cm×4cm玻璃片 4 块,洗净晾干。在小烧杯中放 2.5g 硅胶GF254,7mLO.5%~1%的羧甲纤维素钠水溶液, 调成糊状,均匀地铺在 4 块玻璃板上,在室温晾干后,放入烘箱中,缓慢升温至110℃,恒温 0.5h,取出,置干燥器中备用。

  1. 样品的制备

取镇痛药片 APC 半片,用不锈钢铲研成粉状。取一滴管,用少许棉花塞住其细口部, 然后将粉状 APC 转入其中。另取一只滴管,将2.5mL95% 乙醇滴入盛有APC 的滴管中,流出的萃取液收集于一小试管中。

  1. 点样

取三块制好的薄层板,每块板上点两个样点,分别为 APC 的萃取液和 1% 阿司匹林的95% 乙醇溶液、1% 非那西汀的 95% 乙醇溶液、1% 咖啡因的 95% 乙醇溶液三个标准样品。

  1. 展开

展开剂用无水乙醚5mL、二氯甲烷2mL、冰醋酸 7 滴的混合溶液,在展开缸中进行展开。观察展开剂前沿,当上升至离板的上端 1cm 时取出,迅速在前沿处划线。

  1. 显色并鉴定

将干后的薄层板放入 254nm 紫外分析仪中显色,可清晰地看到展开得到的粉红色斑点,用铅笔把其画出,求出每个点的Rf值,并将未知物与标准样品比较。

可把上述的薄板再置于放有几粒碘结晶的广口瓶内,盖上瓶盖,直至薄板上暗棕色的斑点明显时取出,并与先前在紫外灯下观察做出的记号比较。

本实验约需4h。

四、注释

(1)薄层色谱对吸附剂的要求是表面积大,颗粒均匀,使用中不碎裂,在所用的溶剂和展开剂中不能溶解,且不与被测样品组分发生化学反应或分解等作用;同时还要具有可逆的吸附性,既能吸附样品的组分,又易于解吸,对各组分有不同的吸附性。

(2)多元溶剂作展开剂时首先要求溶剂互溶,被分离物应能溶解于其中。极性大的溶剂易洗脱化合物并使其在薄层板上移动;极性小的溶剂降低极性大溶剂的洗脱能力,使Rf值减小。

五、思考题

  1. 用薄层色谱对含有已知有机物组成的混合物进行分离,用什么方法可识别薄层板上分离开的这些有机物?
  2. 能否用薄层色谱法定量测定APC中阿司匹林、非那西汀、咖啡因的含量?

2.13  气相色谱

气相色谱(gas chromatography,简称 GC)技术发展极为迅速,现在已成为石油化学工业、环境保护以及其他工业部门和科学研究单位必不可缺少的工具。气相色谱主要是用于分离和鉴定气体及易挥发性液体混合物,对于高沸点液体可使用高效液相色谱分离和鉴定。

气相色谱是在色谱的两相中用气体作为流动相,根据固定相的不同,气相色谱又可分为气固色谱和气液色谱。气液色谱的固定相是吸附在小颗粒固体表面的高沸点液体,通常将这种固体称为载体;而把吸附在载体表面上的高沸点液体称为固定液。由于被分析样品中各组分在固定液中的溶解度不同,将混合物样品分离。气相色谱是分配色谱的一种形式。气固色谱的固定相是固体吸附剂如硅胶、氧化铝和分子筛等,主要是利用不同组分在固定相表面吸附能力的差别而达到分离的目的。

由于气液色谱中固定液的种类繁多,因此它的应用范围比气固色谱要更为广泛。常用的气相色谱仪是由色谱柱、检测器、气流控制系统、温度控制系统、进样系统和信号记录系统等部件所组成(图2.33) 。

1一钢瓶;2一减压阀;3一样品进口;4一色谱柱;5一样品出口;6一流速计;7一记录仪

2.33  气相色谱仪

2.13.1  基本原理

色谱柱、检测器和记录仪是气相色谱的主要组成部分。如图2.34所示流程:1~5 部分是用来提供一定流速的干燥载气,柱 7 与供气部分相连并置于一加热炉 8 内;加热炉内的温度用恒温装置和加热元件控制。需分离的样品在进样器 6 进入流动系统,进样器单独加热帮助样品气化。然后气化样品由载气带入柱内。当样品通过柱时,各组分就在载气中分离成单个的区带,而后经过检测器 9 。检测器发出电信号其电压 (除去载气本底的部分) 是与组分的量成比例。记录仪 10 记录下随时间而改变的电压,得到气相色谱图。然后流经检测器的气体在出口 11 进入大气或收集系统。

1一载气瓶;2一减压阀;3一干燥剂;4一控制阀;5一流量计;6一加热进样器;

7一色谱柱;8一加热炉;9一检测器;10一电子记录仪;11一出口

2.34  气相色谱仪流程图

1色谱柱

最常用的色谱柱是一根细长的玻璃管或金属管 (内径 3~6mm,长 1~3m),弯成 U 形或螺旋形,在柱中装满表面涂有固定液的载体。另一种是毛细管色谱柱,它是一根内径0.5~2mm 的玻璃或熔融石英毛细管, 内壁涂以固定液,长度可达几十米,用于复杂样品的快速分析。

分配色谱柱分离效能的高低,首先在于固定液的选择。在固定液中溶解的各组分的挥发性依赖于它们之间的作用力,此作用力包括氢键的形成,偶极-偶极作用或络合物的形成等。根据经验,要求固定液的结构、性质、极性与被分离的组分相似或相近,因此,对非极性组分一般选择非极性的角鲨烷、阿匹松(Apiezon)等作固定液。非极性固定液与被溶解的非极性组分之间的作用力弱,组分一般按沸点顺序分离,即低沸点组分首先流出。如样品是极性和非极性混合物,在沸点相同时,极性物质最先流出。对于中等极性的样品, 选择中等极性的固定液如邻苯二甲酸二壬酯,组分基本上按沸点顺序分离,而沸点相同的极性物质后流出。 含有弱极性基团的组分一般选用强极性的固定液,β,β-氧二丙腈等,组分主要按极性顺序分离,非极性物质首先流出。而对于能形成氢键的组分,例如甲胺、二甲胺和三甲胺的混合物,在用三乙胺作固定液的色谱柱中,则按其形成氢键的能力大小分离,三甲胺 (不生成氢键) 最先流出,最后流出的是甲胺,刚好与沸点顺序相反。固定液的选择除考虑结构、性质和极性以外,它还必须具备热稳定性好,蒸气压低,在操作温度下应为液体等条件。

固体载体具有热稳定性和惰性,具有较大的表面积和很小的颗粒(30~80 目),颗粒较小的柱比颗粒较大的柱分配效率高。通常适用的载体是硅藻土型和非硅藻土型两类,前者使用历史长,应用普遍,分为红色载体和白色载体。红色载体的化学组成为多孔的硅藻土烧结物含Si02、Al203、Fe203等,可分离非极性和弱极性物质,不宜高温使用,国产 6201、201 釉化载体、301 担体均属此类;白色载体的化学组成与红色载体相同,其中 Na20 、K20含量高,可分离极性物质,能用于高温,国产 101、102、103、104 均属此类。非硅藻土型可分玻璃球载体和聚四氟乙烯载体等,玻璃球载体用于低温分离高沸点物质,聚四氟乙烯载体可在高温下分离含氟、极性、有腐蚀的化合物。

称取为载体质量 5%~25% 的固定液,溶于比载体体积稍多的溶剂中(氯仿、苯),将载体和固定液的溶液混合均匀,不断搅拌下用红外灯加热,除去低沸点溶剂,在 120℃恒温加热1~2h,即可用来填装色谱柱。

(2)检测器

检测器是一种指示和测量在载气里被分离组分的量的装置,它把每一个组分按浓度大小定量地转成电信号,经放大后,在记录仪上记录下来。检测器应维持在一定的温度下,以防止试样蒸气的冷凝。通常使用的有热导检测器和氢火焰离子化检测器。热导检测器最低可检测到每 100mL 载气含有 5×10-6g 试样, 氢火焰离子化检测器灵敏度高于热导检测器, 对于碳氢化合物最低可检测到每 100mL 载气含 5×10-9g 试样。

在测量时先将载气调节到所需流速,把进样室、色谱柱和检测器调节到操作温度,待仪器 稳定后,用微量注射器进样,气化后的样品被载气带入色谱柱进行分离。试样的气化并不影响载气的流速,载气携带试样气体进入色谱柱。常用的载气是储于钢瓶中的氮气、氢气和氦气,用减压阀控制载气流量,用皂膜流速计可以测量载气流速,一般流速控制在30~120mL/min。分离后的单组分依次先后进入检测器,检测器的作用是将分离的每个组分按其浓度大小定量地转换成电信号,经放大后,最后在记录仪上记录下来。记录的色谱图纵坐标表示信号大小,横坐标表示时间。在相同的分析条件下,每一个组分从进样到出峰的时间都保持不变,因此可以进行定性分析。样品中每一组分的含量与峰的面积成正比,因此根据峰的面积大小也可以进行定量测定。

2.13.2  操作方法

图2.35为三组分混合物的气相色谱图。当每一组分从柱中洗脱出来时,在色谱图上出现一个峰,当空气随试样被注射进去后,由于空气挥发性很高,它和载气一样,最先通过色谱柱,故第一个峰是空气峰。从试样注入到一个信号峰的最大值时所经过的时间叫做某一组分的保留时间,例如图中 A 组分的保留时间用 tr(A) 表示为 3.6min,在色谱条件相同的情况下, 一个化合物的保留时间是一个常数,无论这个化合物是以纯的组分或以混合物进样,这个值不变。为了比较保留时间,测量时必须使用同一色谱柱,进样系统以及柱系统有相同的温度,并且载气和流速等条件完全相同。

(1)定性分析

比较未知物与己知物的保留时间,可以鉴定未知物。若在相同的色谱条件下,未知物与已知物的保留时间相同,可以认为两者相同,但不能绝对地认为两者相同,因为许多有机化合物具有相同的沸点,许多不同的有机化合物在特定的色谱条件下可能会有相同的保留时间。为了准确地鉴定未知物,必须保证在几种极性不同的固定液柱中未知物与已知物都有相同的保留时间。如果未知物和己知物在相同的色谱条件下, 在任意一种柱上保留时间不同 (士3%),那么这两个化合物不相同。

2.35  三组分混合物的气相色谱

另一种定性鉴定的方法叫做峰(面积)增高(大)法,即把怀疑的某纯化合物掺进混合物,与未掺进前的色谱进行比较,看峰的高度(面积)有无变化,若某一个峰增高(面积增大),那么可以确定两者相同。

当各个组分从气相色谱仪出口分离出来时,用冷的捕集器可以分别接收,以便做进一步的分析鉴定用。

(2)定量分析

气相色谱用于定量分析少量挥发性混合物的根据是:被分析组分的质量 (或浓度) 与色谱峰面积成正比,通过测量相应的峰面积,可以确定混合物组成的相对量。

最简单的测量峰面积的方法是三角形峰面积的近似值法,即用峰高 H 乘以半峰宽 W1/2,得峰面积 A(图2.36)。

A=H×W1/2

2.36  峰面积计算

这个方法快速,并能给出较准确的结果(要求峰形是对称的)。如果峰宽狭窄到以至不能准确测量的话,可以使用一个较快的记录速率,使狭峰变为较宽的峰。

相对峰面积的测量,也可以采用把峰剪下来,在分析天平上称其质量。好的定量记录纸每单位面积的质量相同,被剪下峰的质量正比于峰的相对面积。这个方法准确度高,特别适用于不对称峰面积的测量。

还有一种测量峰面积的方法叫做峰高定量法。即用峰的高度代替峰面积,这种方法快速,但准确度稍差。

峰面积确定后,混合物中各个组分的质量分数可用每一组分的面积除以总的峰面积乘以100%,即

Ai

 

A1+ A2 + A3+…+ An

Wi(%)=                     ×100

 

其中 Ai 为任一组分峰面积;A1,…,An为各组分峰面积;Wi为任一组分的质量分数。